Elektronische Schalteinrichtung mit einem Oszillator Die Erfindung nach dem Hauptpatent bezieht sich auf eine elektronische Schalteinrichtung mit einem mit einem ersten Rückkopplungskreis versehenen Oszillator, dessen Schwingverhalten durch Heranführen eines stromleitenden Gegenstandes beeinflussbar ist und bei dem neben dem ersten Rückkopplungskreis ein zweiter Rückkopplungskreis mit einem Wechselspannungs- Schwellwertverstärker vorgesehen ist, der erst bei Er reichen einer bestimmten Amplitude der Oszillatorspan- nung wirksam wird.
Vielfach ist es erwünscht, mit einer solchen Schalt einrichtung steuerbare Halbleiterschalter zu steuern, z. B. sogenannte Thyristoren, die zu ihrer Einschaltung einen Stromimpuls an ihrer Steuerelektrode benötigen. Je nach Art des verwendeten Thyristors (npnp oder pnpn) muss dieser Impuls eine bestimmte Polarität haben.
Normalerweise werden zur Erzeugung dieser Im pulse Schaltungen mit Zweibasis-Transistoren (unijunc- tion-transistors) verwendet. Auch sind Schaltungen mit Sperrschwingoszillatoren bekannt. Diese Impulsgenera toren verursachen zusätzliche Kosten und verhindern dadurch die Anwendung von Thyristoren an Stellen, wo dies an sich technisch möglich wäre.
Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die eingangs genannte Oszillatoranordnung an eine pulsierende Gleichspan nung angeschlossen ist, und dass der Ausgang des Wechselspannungs-Schwellwertverstärkers mit der Steu erelektrode eines Thyristors verbunden ist, dessen Be- triebs-Wechselspannung mit der pulsierenden Gleich spannung synchronisiert ist. Bei einer erfindungsge- mässen Anordnung ist also kein zusätzlicher Impuls geber für den Thyristor notwendig.
Die Aufgabe des Impulsgebers übernimmt die Oszillatoranordnung selbst. Dies ist deshalb möglich, weil die Schalteinrichtung nach dem Hauptpatent ein ausgeprägtes Sprungverhalten auf weist, und dieses Sprungverhalten dient erfindungsge- mäss zum Erzeugen der für das Steuern des Thyristors notwendigen Stromimpulse. Der Thyristor erhält dabei während jeder Periode der Betriebs-Wechselspannung einen neuen Zündimpuls.
Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn die pulsierende Gleichspannung eine von einer Wechsel spannung abgeleitete, etwa rechteckförmige Spannung ist, da man dann ein besonders ausgeprägtes Sprung- verhalten erhält und einen besonders kleinen Übertrager verwenden kann. Zum Erzeugen dieser etwa rechteck- förmigen Spannung verwendet man mit Vorteil eine eine pulsierende Spannung liefernde Spannungsquelle und eine an diese angeschlossene Zenerdiode, wobei der Spitzenwert der pulsierenden Spannung ein Mehrfaches der Zenerspannung der Zenerdiode beträgt.
Weiterhin ist auf sehr einfache Weise auch eine Phasenanschnittsteuerung möglich, wie das im folgenden noch beschrieben wird.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildun gen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispielen. Es zeigen: Fig.l ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemässen Schalteinrichtung, Fig.2 Schaubilder zum Erläutern der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemässen Schalteinrichtung, Fig.4 Schaubilder zum Erläutern der Schaltung nach Fig. 3,
und Fig.5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemässen Schalteinrichtung.
In den einzelnen Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Schaltung nach Fig. 1 ist über die Primärwick lung 10 eines Transformators 11 an die Klemme 12, 13 eines Wechselspannungsnetzes von z. B. 220 V, 50 Hz angeschlossen. Die Anode eines Thyristors 14 ist über einen Lastwiderstand 15 mit der Klemme 12, seine Kathode mit der Klemme 13 verbunden. Der Lastwider- stand 15 kann z. B. ein Relais, ein Stellmotor oder ein Ventil sein.
An die Sekundärwicklung 16 ist ein Einphasen- Brückengleichrichter 17 angeschlossen, zwischen dessen Ausgängen + und - eine pulsierende Gleichspannung U, auftritt, deren Kurvenverlauf in der obersten Reihe von Fig. 2 dargestellt ist.
Über zwei Klemmen 18, 19 ist an diese Ausgänge des Gleichrichters 17 eine Oszillatoranordnung ange schlossen, die in ihrer Gesamtheit mit 22 bezeichnet ist und deren Schaltzustand davon abhängt, wie weit ihr ein mit 23 bezeichneter Metallgegenstand genähert wird. Diese Oszillatoranordnung ist im Hauptpatent beschrie ben.
Die Oszillatoranordnung 22 enthält drei Transi storen: Einen npn-Transistor 24, der zusammen mit zwei Spulen 25, 26 einen Oszillator bildet; einen pnp- Transistor 27, der als Wechselspannungs-Schwellwert- verstärker dient; und einen npn-Leistungstransistor 28 als Ausgangsstufe.
An der Klemme 18 ist über einen Siebwiderstand 29 eine Plusleitung 30 angeschlossen, an die Klemme 19 eine Minusleitung 33. Zwischen den Leitungen 30 und 33 liegt ein Filterkondensator 34 und parallel zu ihm ein Spannungsteiler, der aus zwei über einen Verbin dungspunkt 35 miteinander verbundenen Widerständen 36, 37 besteht.
Die Spule 26 dient als Rückkopplungsspule und ist mit ihrem einen Ende am Verbindungspunkt 35, mit ihrem anderen Ende an der Basis des Transistors 24 angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand 38 mit der Minusleitung 33 und dessen Kollektor über einen Widerstand 39 und die mit diesem in Serie ge staltete Spule 25, zu welcher ein Kondensator 40 par allelgeschaltet ist, mit der Plusleitung 30 verbunden ist. Wie ersichtlich, bilden Spule 25 und Kondensator 40 einen Parallelschwingungskreis, z. B. für 500 kHz.
Die Spulen 25 und 26 sind jeweils mit einem Ferritkern 43, 44 versehen und diese Kerne sind über einen Luftspalt miteinander gekoppelt, in den der Me tallgegenstand 23 eingebracht werden kann. Befindet sich dieser in der Nähe der Spulen 25 und 26, so wird die Rückkopplung vermindert und die Oszillatorschwin- gungen werden durch die im Gegenstand 23 induzierten Ströme gedämpft, so dass ihre Amplitude absinkt, oder der Oszillator ganz zu schwingen aufhört.
Der Verbindungspunkt des Widerstands 39 und der Spule 25 ist mit der Basis des Transistors 27 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 45 mit der Plus leitung 30 und einen Widerstand 46 mit der Minuslei tung 33 verbunden ist. Dieser Emitter hat also ein be stimmtes negatives Potential, z. B. -2 V, bezogen auf das Potential der Plusleitung 30, so dass der Transistor 27 erst verstärkt, wenn die Spannungsamplitude der Schwingungen am Schwingungskreis 25, 40 grösser ist als dieses Potential.
Über ein Potentiometer 47 und zwei mit diesem in Serie geschaltete Widerstände 48, 49 ist der Kollektor des Transistors 27 mit der Minusleitung 33 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 47 ist über einen Kon densator 52 (z. B. 100 pF) mit dem Verbindungspunkt 35 verbunden. Parallel zur Serienschaltung der Wider stände 48 und 49 liegt ein Siebkondensator 53. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist mit der Basis des Transistors 28 verbunden, dessen Emitter an der Minusleitung 33 liegt und dessen Kollektor di- rekt mit einem Ausgang A und über einen Widerstand 54 mit der Plusleitung 30 verbunden ist.
An den Ausgang A ist der eine Anschluss der Pri märwicklung 55 eines Übertragers 56 angeschlossen, zu der eine Löschdiode 57 parallelgeschaltet ist und deren anderer Anschluss über einen Widerstand 58 mit dem Ausgang + des Gleichrichters 17 verbunden ist.
Die Sekundärwicklung 59 des Übertragers 56 ist mit ihrem einen Anschluss mit der Kathode und mit ihrem anderen Anschluss mit der Steuerelektrode des Thyristors 14 verbunden.
Die Anordnung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Es sei zunächst angenommen, dass der Metall gegenstand 23 weit von den Spulen 25, 26 entfernt ist, so dass diese nicht bedämpft sind. Liegt nun im Zeit punkt t, zwischen den Leitungen 30 und 33 eine sehr kleine Spannung, so schwingt der aus den Spulen 25, 26 und dem Transistor 24 bestehende Oszillaor ent weder überhaupt nicht oder nur mit einer sehr kleinen Amplitude, die nicht ausreicht, um den Transistor 27 leitend zu machen, so dass durch die Widerstände 47, 48, 49 kein Strom fliesst und der Transistor 28 gesperrt ist, da bei ihm zwischen Basis und Emitter die Span nung Null liegt.
Steigt nun nach dem Zeitpunkt t, die Spannung zwischen den Leitungen 30 und 33 an, so nimmt die Schwingungsamplitude des Oszillators 24, 25, 26 zu, reicht jedoch zunächst nicht aus, um den Transistor 27 leitend zu machen. Entsprechend bleibt auch der Transi stor 28 gesperrt.
Erst im Zeitpunkt t_ (Fig.2) werden die Schwin gungsamplituden am Schwingkreis 25, 40 so gross, dass der Transistor durch die negativen Maxima dieser Schwingungen jeweils kurzzeitig leitend gesteuert wird. Hierdurch entsteht plötzlich eine zweite Rückkopp lungsverbindung über diesen Transistor 27, das Poten- tiometer 47 und den Kondensator 52 zur Basis des Transistors 24, so dass in einem ausserordentlich kurzen Zeitraum von etwa zwei Perioden (bei 500 kHz ent sprechend einer Zeit von etwa 4 usec) die Schwingungs amplitude am Schwingkreis 25, 40 stark ansteigt.
Da durch fliesst jetzt auch im Transistor 27 ein grosser Kol- lektorstrom, und dieser Strom erzeugt am Widerstand 49 einen Spannungsabfall, der den Transistor 28 schlag artig einschaltet. Hierdurch fliesst plötzlich ein Strom durch die Primärwicklung 55, der in der Sekundärwick lung 59 die in der zweiten Reihe von Fig.2 gezeigte Spannung u,; induziert, die den Thyristor 14 im Zeit punkt t, leitend steuert, wenn seine Anode positiver ist als seine Kathode, was bei jeder zweiten Halbwelle der Fall ist. Es fliesst dann ein Strom il,, wie er in der dritten Reihe von Fig.2 dargestellt ist.
Dieser Strom wird wieder unterbrochen, wenn die Anode des Thyri- stors 14 negativer wird als die Kathode.
Im Zeitpunkt t3 wird die Spannung U, so klein, dass die Schwingungsamplitude am Schwingkreis 25, 40 nicht mehr ausreicht, um den Transistor 27 leitend zu steuern. Entsprechend wird auch der Transistor 28 wieder ge sperrt, wodurch sich die in der zweiten Reihe von Fig. 2 dargestellten negativen Spannungsspitzen ergeben.
Wird nun der Metallgegenstand 23 in die Nähe der Spulen 25 und 26 gebracht, so wird der Schwingkreis 25, 40 stark gedämpft, so dass in keinem Augenblick mehr die Spannungsamplitude an ihm ausreicht, um den Transistor 27 leitend zu steuern. Der Thyristor 14 bleibt also gesperrt, da die Spannung uG dann zu Null wird. Der Thyristor 14 wird also nur leitend gehalten, solange der Metallgegenstand 23 weit entfernt ist, nicht aber, wenn dieser dem Schwingkreis 25, 40 genähert wird. Die Anordnung wirkt also als kontaktloser End- schalter.
Das schlagartige Einschalten des Transistors 28 er gibt sich durch den zweiten Rückkopplungskreis - Tran sistor 27, Potentiometer 47, Kondensator 52 - der ein ausserordentlich rasches Ansteigen der Schwingungs amplitude und damit ein sprungartiges Schalten bewirkt. Der Übertrager 56 muss bei einer Netzfrequenz von 50 Hz für 100 Hz ausgelegt werden. Die Diode 57 ver hindert, dass die zulässige Spitzenspannung zwischen Kathode und Steuerelektrode des Thyristors 14 über schritten wird.
Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist die gleiche Oszi- latoranordnung 22 verwendet wie bei der Anordnung nach Fig. 1; jedoch wird als Gleichspannung zu ihrer Versorgung eine Rechteckspannung verwendet, wie sie in der obersten Reihe von Fig. 4 dargestellt ist.
An diese Rechteckspannung ist auch die Primärwicklung 55 des Übertragers 56 angeschlossen, so dass man an ihr einen sehr steilen Spannungsanstieg erhält, d. h. der übertra- ger 56 kann für eine höhere Frequenz ausgelegt werden als der Übertrager 56 nach Fig. 1 und wird dadurch kleiner. Ausserdem wird der Thyristor 14 früher in der Periode gezündet, als dies bei Fig. 2 der Fall ist, und man erhält einen entsprechend höheren Strom 'L (dritte Reihe von Fig. 4).
Zum Erzeugen der etwa rechteckförmigen Span nung UZ wird eine Zenerdiode 62 mit einer Zenerspan- nung von z. B. 12 V zwischen die Klemmen 18 und 19 geschaltet und die Wechselspannungsseite des Gleich richters 17 wird über einen Widerstand an die Netz klemmen 12, 13 (z. B. 220 V, 50 Hz) angeschlossen. Die Spannung zwischen den Klemmen 18 und 19 steigt dann zunächst ebenso an wie bei der gleichgerichteten Spannung am Ausgang des Gleichrichters 17.
Bei Über schreiten der Zenerspannung wird jedoch die Zener- diode 62 stromleitend und begrenzt so die Spannung an ihr auf z. B. 12 V. Man erhält so die dargestellte Span nungsform.
Die Anordnung nach Fig. 3 arbeitet im übrigen wie diejenige nach Fig. 1, d. h. wenn ihr ein Metallgegen stand genähert wird, wird der Thyristor 14 gesperrt. Wird der Metallgegenstand dagegen entfernt, so wird der Thyristor 14 leitend.
In manchen Fällen ist es erforderlich, den Strom durch den Thyristor 14 einstellbar zu machen. Diesem Zweck dient die Anordnung nach Fig. 5, die weitgehend mit derjenigen nach Fig. 1 übereinstimmt. Jedoch ist bei ihr zwischen die Sekundärwicklung 16, die mit einer Mittelanzapfung 66 versehen ist, und den Gleichrichter 17 ein Phasenschieber eingeschaltet, der aus zwei Wi derständen 67, 68 und einem Kondensator 69 besteht. Durch diesen Phasenschieber wird bewirkt, dass die Spannung an den Klemmen 18, 19 der Spannung am Thyristor 14 nacheilt.
Der Thyristor 14 wird also je nach der Einstellung des Widerstandes 67 verschieden lang gezündet, und dadurch wird der Strom durch den Widerstand 15 einstellbar. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass auch bei dieser Schaltung der Übertrager 56 nur für hohe Frequenzen bemessen zu werden braucht und da durch eine kleine und billige Bauart für diesen über trager 56 möglich ist. Hierfür genügt bereits eine Pha senverschiebung von wenigen Grad.
Wie ersichtlich, ist bei der Anordnung nach Fig. 5 ein Brückengleichrichter 70 für die Speisung des Thy- ristors 14 vorgesehen. Hierdurch erhält man im Last widerstand 15 einen Strom, der etwa doppelt so gross ist wie bei der Schaltung nach Fig. 1, da der Thyristor 14 während jeder Periode zweimal gezündet wird.
Die Erfindung gestattet es, durch wenige Zusatz bauteile zur Oszillatoranordnung 22 eine Schalteinrich tung zu schaffen, mit der Thyristoren gesteuert werden können und mit der sogar eine Einstellung des Zünd- winkels möglich ist.