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Die
Erfindung betrifft ein Elektrogerät nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bei
dem Elektrogerät
kann es sich um ein Elektrohandwerkzeug, und zwar um ein Akku- und/oder ein Netz-Elektrowerkzeug,
insbesondere um Bohrmaschinen, Schleifer, Sägen, Hobel, Winkelschleifer
o. dgl., handeln. Bei dem Elektrogerät kann es sich auch um ein
Hausgerät,
wie ein Küchenarbeitsgerät, ein Staubsauger
o. dgl., oder um eine tragbare Lampe handeln.
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Solche
Elektrowerkzeuge besitzen einen Elektromotor. Für den bestimmungsgemäßen Betrieb des
Elektrogeräts
ist dieses mit einer Spannungsversorgung versehen. Insbesondere
wird eine Last im Elektrogerät,
wie der Elektromotor, mit Energie aus der Spannungsversorgung betrieben.
Es hat sich herausgestellt, daß Veränderungen
der Spannung der Versorgungsspannung außerhalb gewisser Grenzwerte
zu Schäden
am Elektrogerät
führen
können. Insbesondere
bei Verwendung eines Akkus zur Spannungsversorgung des Elektrogeräts kann
es dabei zur Zerstörung
des Akkus kommen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schäden am Elektrogerät aufgrund
von Spannungsveränderungen
der Versorgungsspannung zu verhindern. Insbesondere ist es Aufgabe,
eine sehr einfache Lösung
für die
beschriebenen Problemstellungen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Elektrogerät durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Elektrogerät wird der
Betrieb des Elektrogeräts
abgeschaltet, wenn die elektrische Spannung der Spannungsversorgung
einen Grenzwert und/oder wenigstens eine einzelne Spannung der Spannungsversorgung
einen Grenzwert unter- und/oder überschreitet.
Bevorzugterweise erfolgt in diesem Fall eine Abschaltung der mittels der
Versorgungsspannung betriebenen Last im Elektrogerät. Durch
die Erfindung ist somit insbesondere die Versorgungsspannungsüberwachung
eines Elektrowerkzeuges geschaffen. Weitere Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In üblicher
Weise ist das Elektrogerät
mittels eines Schalters manuell durch den Benutzer ein- und/oder
ausschaltbar, wobei der Schalter ein Schaltergehäuse aufweisen kann. Häufig ist
dem Schalter ein Microcontroller zugeordnet, der mittels einer Software
gesteuert ist und zweckmäßigerweise
im Schaltergehäuse
befindlich ist. Der Microcontroller findet als Elektronik im Schalter
zur Ansteuerung des Elektromotors Verwendung. Beispielsweise steuert
der Microcontroller den Elektromotor derart an, dass dieser mit
einer vorgewählten
Drehzahl betrieben wird. Es bietet sich zwecks Kompaktheit an, eine Überwachungselektronik
zur Messung der Spannung und/oder der jeweils einzelnen Spannungen
der Spannungsversorgung ebenfalls im Schaltergehäuse anzuordnen. Geschaffen
ist damit eine Versorgungsspannungsüberwachung eines Elektrowerkzeuges im
Schalter.
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Auf
eine spezielle Elektronik im Energiespeicher, welche die Überwachung übernimmt
und mittels eines Schaltelements die Last abtrennt oder wenigstens
ein Abschalt-Signal an den Schalter sendet, der dann die Trennung
vornimmt, kann somit verzichtet werden. Ein solches System bestünde aus
mehreren voneinander getrennten Elektronik-Modulen, was zu Redundanzen
führt,
die einerseits zwar gewünscht
sein könnten,
jedoch aus marktwirtschaftlicher Sicht nicht oder nur schwer verkäuflich sind. Vielmehr
ist bei dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung
eine Kombination von Schalter- und Überwachungselektronik geschaffen,
womit Kosten gesenkt werden. Insbesondere wird dabei das im Schalter
bereits vorhandene Schaltelement zur Abtrennung der Last verwendet,
womit das ansonsten zusätzliche Schaltelement
nicht benötigt
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung bietet es sich an, daß die von der Überwachungselektronik
gemessene Spannung und/oder die gemessenen einzelnen Spannungen
dem Mikrocontroller zugeführt
werden. Die Auswertung, ob die gemessene Spannung und/oder die gemessenen
einzelnen Spannungen innerhalb den vorgegebenen Grenzen sind, erfolgt dann
mittels des Microcontrollers, der gegebenenfalls mit einer diesbezüglichen
zugehörigen
Software betrieben werden kann. Bevorzugterweise erfolgt dann weiterhin
das Ausschalten der Last mittels eines Schaltelements des Schalters
in Abhängigkeit von
der vorangegangenen Auswertung durch den Microcontroller. Zweckmäßigerweise
kann das Schaltelement einen Halbleiterschalter umfassen, bei dem es
sich insbesondere um einen Leistungstransistor, wie einen MOS-FET,
handelt. In kompakter Art und Weise ist das Schaltelement ebenfalls
im Schaltergehäuse
befindlich.
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In
einer Weiterbildung wird das Elektrogerät mit einer Versorgungsspannung
aus einem mobilen Energiespeicher in der Art eines Akkus betrieben. Der
Energiespeicher kann sich wiederum aus mehreren Zellen zusammensetzen.
Zweckmäßigerweise mißt die Überwachungselektronik
jeweils die elektrischen Zwischenspannungen an den einzelnen Zellen und/oder
die elektrische Gesamtspannung sämtlicher
Zellen des Energiespeichers. Indem jede Zwischenspannung sowie die
Gesamtspannung überwacht
wird, wird verhindert, daß einzelne
Zellen stärker
belastet werden als andere Zellen des Energiespeichers. Ansonsten
kann es bei einer unbalancierten Entladung des Energiespeichers
zu Schäden kommen,
welche mit Hilfe der Erfindung dadurch verhindert werden, daß der Elektrowerkzeugschalter frühzeitig
die Last von der Quelle, also dem Energiespeicher, trennt.
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Für eine besonders
bevorzugte Ausgestaltung ist nachfolgendes festzustellen. Typischerweise wird
das elektrische System des Elektrowerkzeugs von einem angeschlossenen,
mobilen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Beispielsweise
kann es sich dabei um einen Akku mit einer Nominalspannung von 14.4
V Gleichspannung (DC), 18.0 V DC o. dgl. handeln. Von dem eingesetzten
Energiespeicher werden dann alle Zwischenspannungen zur Elektronik
des Elektrowerkzeugschalters geführt.
Die Elektronik des Elektrowerkzeugschalters mißt die Zwischenspannungen und
die Gesamtspannung des Energiespeichers. In Weiterbildungen kann
die Auswertung, ob die Spannungen in den vorgegebenen Grenzen sind,
mittels eines Microcontrollers und Software erfolgen. Das Ausschalten
der Last kann mittels eines Schaltelements entsprechend der vorangegangenen
Auswertung durch den Microcontroller erfolgen.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die
Elektronik im Elektrowerkzeugschalter so ausgelegt werden kann, daß die erfindungsgemäße Überwachungs-Funktion keine
Bestückungsvarianten
verursacht. Wird ein Microcontroller im Schalter eingesetzt, so
kann die Software zusätzlich
die Auswertung der Spannung sowie das Abschaltverhalten des Schalters
steuern, so daß keine
Schäden
am Energiespeicher durch eine schwankende Spannung verursacht werden.
Es werden dann nur noch elektrische Verbindungen vom Energiespeicher
zum Schalter benötigt,
jedoch keine zusätzliche Überwachungselektronik,
insbesondere nicht eine solche im Energiespeicher.
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Es
können
zum einen Elektronikmodule für Elektrowerkzeuge
entwickelt werden, welche ganzheitlich den Energiespeicher beim
Entladen überwachen
und schützen.
Bei Einsatz eines Microcontrollers kann zum anderen die Software
sowohl das Verhalten der Elektronik, die Überwachung und die Abschaltung
steuern. Für
mehrere unterschiedliche Spannungsvarianten des Energiespeichers
kann das gleiche Elektronikmodul produziert werden, wobei erst die
Software, beispielsweise durch die jeweilige Einstellung der Grenzwerte,
das entsprechende Verhalten des Elektronikmoduls bestimmt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen die
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1 schematisch
ein Elektrowerkzeug, wobei das Gehäuse des Elektrowerkzeugs teilweise aufgebrochen
dargestellt ist, und
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2 ein
Blockschaltbild für
das Elektrowerkzeug.
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In 1 ist
ein Elektrowerkzeug 1 mit einem Elektromotor 2 zum
Antrieb eines Werkzeugs 3 zu sehen. Es kann sich dabei
um ein Akku- und/oder Netz-Elektrowerkzeug handeln.
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Beispielhaft
ist in 1 eine Akku-Bohrmaschine als Elektrowerkzeug 1 gezeigt,
die mit einer Versorgungsspannung aus einem mobilen Energiespeicher 8 in
der Art eines Akkus betrieben wird. Selbstverständlich kann es sich bei dem
Elektrowerkzeug 1 auch um einen Schleifer, eine Säge, einen Hobel,
einen Winkelschleifer o. dgl. handeln.
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Im
Gehäuse 4 des
Elektrowerkzeugs 1 ist ein Schalter 5 mit einem
Schaltergehäuse 13 angeordnet.
Der Schalter 5 ist derart im Gehäuse 4 aufgenommen,
daß ein
manuell vom Benutzer bewegbares Betätigungsorgan 6 des
Schalters 5 aus dem Gehäuse 4 herausragt.
Der Schalter 5 besitzt ein Kontaktsystem 7, auf
das das Betätigungsorgan 6 zur Umschaltung
einwirkt, so daß die
Spannungsversorgung 14 (siehe 2) aus dem
Energiespeicher 8 für das
Elektrowerkzeug 1, und zwar insbesondere zum Betrieb des
Elektromotors 2, mittels des Betätigungsorgans 6 vom
Benutzer ein- und/oder ausschaltbar ist. Schließlich umfaßt der Schalter 5 eine
elektrische Schaltungsanordnung zur Steuerung und/oder Regelung
des Elektromotors 2. Die Schaltungsanordnung dient als
Steuerelektronik 9 zur Drehzahlveränderung des Elektromotors 2 entsprechend
der Stellung des vom Benutzer bewegten Betätigungsorgans 6. Die
Elektronik 9 umfaßt
einen Microcontroller zur Ansteuerung des Elektromotors 2,
wie anhand von 2 zu sehen ist. Der Microcontroller 9 ist
mittels einer Software gesteuert und befindet sich zweckmäßigerweise
im Schaltergehäuse 13.
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Wie
weiter in 1 zu sehen ist, ist am Gehäuse 4 eine
Arbeitsfeldbeleuchtung 10 angeordnet, mit deren Hilfe der
Arbeitsbereich für
das Werkzeug 3 als Unterstützung für den Benutzer beleuchtbar
ist. Die Spannungsversorgung für
die Arbeitsfeldbeleuchtung 10 erfolgt ebenfalls aus dem
Energiespeicher 8, und zwar vorliegend über die Steuerelektronik 9,
die hierfür
als Pulsweiten-Modulations-Schaltung arbeitet. Damit wird die Arbeitsfeldbeleuchtung 10 über ein
von der Versorgungsspannung aus dem Energiespeicher 8 gespeistes
Pulsweiten-Modulations-Signal 11 betrieben, womit die Helligkeit
der Leuchtdiode (LED) 10 dementsprechend wunschgemäß eingestellt
werden kann.
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Der
Microcontroller 9 findet wie erwähnt Verwendung zur Ansteuerung
des Elektromotors 2. Wie aus 2 hervorgeht,
betreibt hierbei der Microcontroller 9 mittels eines Pulsweiten-Modulations-Signals 12 den
Elektromotor 2 entsprechend der mittels des Betätigungsorgans 6 vom
Benutzer eingestellten Drehzahl. Zur Wahl der Drehrichtung des Elektromotors 2 durch
den Benutzer dient ein Drehrichtungsumschalter 20. Der
Betrieb des Elektrowerkzeugs 1, und zwar des als elektrische
Last wirkenden Elektromotors 2, wird vom Microcontroller 9 abgeschaltet, wenn
die Spannung 16 und/oder je eine einzelne Spannung 19 der
Spannungsversorgung 14 einen Grenzwert unter- und/oder überschreitet.
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Wie
weiter der 2 zu entnehmen ist, ist hierzu
im Schalter 5, und zwar insbesondere im Schaltergehäuse 13 (siehe 1)
eine Überwachungselektronik 15 zur
Messung der Spannung 16 der Spannungsversorgung 14 angeordnet.
Die von der Überwachungselektronik 15 gemessene
Spannung 16 wird dem Microcontroller 9 zugeführt. Im
Microcontroller 9 erfolgt dann mittels entsprechender Software
eine Auswertung, ob die gemessene Spannung 16 innerhalb
den vorgegebenen Grenzen ist. Liegt die Spannung 16 entsprechend
der vorangegangenen Auswertung durch den Microcontroller 9 außerhalb
der vorgegebenen Grenzen, so erfolgt das Ausschalten des die Last
darstellenden Elektromotors 2 mittels eines Schaltelements 17.
Das Schaltelement 17 umfaßt einen Halbleiter bzw. einen
Halbleiterschalter und ist ebenfalls im Schaltergehäuse 13 befindlich.
Und zwar handelt es sich hierbei um den Leistungstransistor, wie
einen MOS-FET, der gleichzeitig zur Spannungszuführung entsprechend der Pulsweiten-Modulation
an den Elektromotor 2 dient.
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Der
Energiespeicher 8 setzt sich aus mehreren einzelnen Zellen 18 zusammen.
Zweckmäßigerweise
mißt die Überwachungselektronik 15 zusätzlich die
Zwischenspannungen 19 an den Zellen 18. Wie bereits
erwähnt
wird auch die Gesamtspannung 16 sämtlicher Zellen 18 des
Energiespeichers 8 von der Überwachungselektronik 15 gemessen.
Im Microcontroller 9 erfolgt dann eine Überprüfung, ob die Zwischenspannungen 19 und/oder
die Gesamtspannung 16 innerhalb der vorgegebenen jeweiligen Grenzen
liegen. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Elektromotor 2 zur
Vermeidung von Schäden
am Energiespeicher 8 abgeschaltet.
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Die
Erfindung läßt sich
in bevorzugter Weise an allen Elektrowerkzeugschaltern für Elektrowerkzeuge
mit ein- oder mehrzelligen Energiespeichern, insbesondere an einem
Elektrowerkzeugschalter für Li-Ionen-Akkus,
verwenden. Die Erfindung eignet sich jedoch nicht nur für Gleichspannungs(DC)-Elektrowerkzeuge
sondern auch für Wechselspannungs(AC)-Elektrowerkzeuge,
welche einen Microcontroller zur Steuerung enthalten. Solche netzgespeisten
AC-Elektrowerkzeuge arbeiten für
die Drehzahleinstellung mittels einer Phasenan- und/oder Phasenabschnitt-Steuerung.
Desweiteren ist die Erfindung anhand eines Elektrowerkzeugs erläutert, jedoch
nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie
umfaßt
vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung.
So kann eine Abschaltung der Last bei einer außerhalb vorgegebener Grenzen
liegenden Spannung und/oder Einzelspannungen der Spannungsversorgung
auch an sonstigen Elektrogeräten, beispielsweise
an Hausgeräten,
an tragbaren Lampen o. dgl., Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrowerkzeug
- 2
- Elektromotor
- 3
- Werkzeug
- 4
- Gehäuse (von
Elektrowerkzeug)
- 5
- Schalter/Elektrowerkzeugschalter
- 6
- Betätigungsorgan
- 7
- Kontaktsystem
- 8
- Energiespeicher
- 9
- Steuerelektronik/Elektronik/Microcontroller
- 10
- Arbeitsfeldbeleuchtung/Leuchtdiode
- 11
- Pulsweiten-Modulation-Signal
(für Arbeitsfeldbeleuchtung)
- 12
- Pulsweiten-Modulations-Signal
(für Elektromotor)
- 13
- Schaltergehäuse
- 14
- Spannungsversorgung
- 15
- Überwachungselektronik
- 16
- Spannung
(von Spannungsversorgung)/Gesamtspannung
- 17
- Schaltelement
- 18
- Zelle
(von Energiespeicher)
- 19
- Zwischenspannung
- 20
- Drehrichtungsumschalter