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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung.
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Die
Schaltungsanordnung bildet ein Schaltnetzteil, welches zur Spannungsversorgung
von elektronischen Geräten,
insbesondere Sensoren, dient. Die Schaltungsanordnung kann eine
separate Einheit bilden oder im elektronischen Gerät beziehungsweise
im Sensor integriert sein.
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Ein
derartiger Sensor mit integrierter Schaltungsanordnung ist von dem
optischen Sensor PRK 96 der Firma Leuze electronic GmbH + Co KG
gebildet.
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Die
in dem optischen Sensor PRK integrierte Schaltungsanordnung bildet
ein Schaltnetzteil, mittels derer der Sensor an Gleich- oder Wechselspannungen
im Bereich von 20 V bis 230 V angeschlossen werden kann. In dieser
sogenannten Allstromausführung
kann der Sensor somit an unterschiedliche Spannungen angeschlossen
werden. Die Schaltungsanordnung weist hierzu Anschlussmittel zum
Anschluss einer externen Spannung auf. Weiterhin ist ein Schalter
vorgesehen sowie eine Induktivität und
ein Kondensator. Bei geschlossenem Schalter fließt ein durch die Primärspannung
bestimmter Strom über
die Induktivität
in einem Primärstromkreis.
Dadurch wird der Kondensator aufgeladen, bis die Ausgangsspannung
am Kondensator einen vorgegebenen Wert erreicht. Mit dieser Ausgangsspannung
des Sekundärstromkreises
wird der Lastwiderstand des angeschlossenen elektronischen Geräts gespeist.
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Dem
Schalter ist eine Treibereinheit zugeordnet. Die Treibereinheit
dient zum Schließen
des Schalters.
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Erreicht
die Ausgangsspannung den vorgegebenen Wert, so wird die Treibereinheit
abgeschaltet und damit der Schalter geöffnet. Zur Erhöhung der Funktionssicherheit
dieser Schaltungsanordnung wird der Ladestrom der Induktivität mit einer
geeigneten Messeinheit gemessen. Sobald der Ladestrom einen vorgegebenen
Maximalwert erreicht, wird ein Abschaltbefehl generiert, der ebenfalls
zum Abschalten der Treibereinheit und damit zum Öffnen des Schalters führt.
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Nachteilig
hierbei ist, dass die Messeinheit zur Abschaltkontrolle der Treibereinheit
einen beträchtlichen
zusätzlichen
Schaltungsaufwand bedingt.
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Weiterhin
ist nachteilig, dass bei dieser Schaltungsanordnung trotz der Messeinheit
Verzögerungen
bei der Abschaltung der Treibereinheit und damit Verzögerungen
bei dem Öffnen
des Schalters auftreten können.
Abgesehen davon, dass dadurch kein definierter Schaltzyklus des
Schalters erhalten wird, kann durch derartige Verzögerungen
infolge von auftretenden Überströmen der
Schalter zerstört werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung der
eingangs genannten An bereitzustellen, welche bei geringem konstruktiven
Aufbau eine möglichst
hohe Funktionssicherheit aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
dient zur Spannungsversorgung eines elektronischen Geräts und weist
Anschlussmittel zur Einspeisung einer von einer Spannungsquelle
generierten Spannung, einen Schalter, eine Induktivität und einen
Kondensator auf, welche bei geschlossenem Schalter mit der Spannung
beaufschlagt sind. Dadurch wird eine Ausgangsspannung zur Span nungsversorgung
des elektronischen Geräts
generiert. Ebenso beinhaltet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine
Treibereinheit, mittels derer der Schalter aktiv geöffnet und
geschlossen wird.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, dass mit der Treibereinheit
der Schalter der Schaltungsanordnung nicht nur aktiv geschlossen,
sondern auch aktiv geöffnet
wird.
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Dadurch
wird die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung beträchtlich
erhöht,
da die Zeitpunkte des Öffnens
und Schließens
des Schalters exakt und reproduzierbar vorgegeben werden können. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Verzögerungen
bei dem Öffnen
des Schalters ausgeschlossen werden können, wodurch eine Beschädigung oder
gar Zerstörung
des Schalten infolge von Überströmen ausgeschlossen
werden kann. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung unempfindlich
gegen äußere Störeinflüsse.
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Die
Treibereinheit besteht im Wesentlichen aus Halbleiterbauelementen,
wobei diese PNP- bzw. P-Kanal- oder NPN- bzw. N-Kanal-Halbleiterbauelemente
aufweisen kann. Die so ausgebildete Treibereinheit weist einen kostengünstigen
Aufbau auf, wobei zudem die so ausgebildete Treibereinheit einen wesentlichen
Beitrag zur Minimierung der Baugröße der Schaltungsanordnung
liefert.
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Die
Treibereinheit weist vorteilhafterweise einen Widerstand und eine
Diode, vorzugsweise eine Zenerdiode, zum definierten, aktiven Schließen des Schalters
auf.
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Weiterhin
weist die Treibereinheit bevorzugt eine aus zwei Transistoren bestehende
Ansteuerkette zum aktiven Öffnen
des Schalters auf.
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Die
so ausgebildete Treibereinheit weist einen besonders einfachen und
kostengünstigen
Aufbau auf.
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Durch
die Ansteuerkette der beiden Transistoren werden zudem äußerst kurze
und reproduzierbare Ansprechzeiten zum Öffnen des Schalters realisiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung
Mittel zur Generierung einer definierten Schalthysterese des Schalters
auf. Diese sind bevorzugt von einem Widerstand und einer Diode gebildet
und weisen somit einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auf. Mit diesen Schaltungskomponenten
wird die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung weiter erhöht.
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Die
Steuerung der Treibereinheit erfolgt über eine Steuereinheit. Diese
besteht bevorzugt aus einer Zenerdiode und einem Widerstand und
weist somit ebenfalls einen einfachen und kostengünstigen Aufbau
auf.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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2:
Detailliertes Schaltbild der Schaltungsanordnung.
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Die 1 und 2 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung 1 zur Spannungsversorgung von
elektronischen Geräten. Die
elektronischen Geräte
sind beispielsweise von Niederspannungsschaltgeräten gebildet. Insbesondere
können
die elektronischen Geräte
von Sensoren wie zum Beispiel optischen Sensoren gebildet sein.
Beispiele für
optische Sensoren sind Lichtschranken, Lichttaster, Reflexionslichtschranken
und Distanzsensoren.
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Prinzipiell
können
die Schaltungsanordnung 1 und das elektronische Gerät von separaten
Einheiten gebildet sein. Im vorliegenden Fall ist die Schaltungsan ordnung 1 in
einem das elektronische Gerät bildenden
optischen Sensor integriert.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 auf
Blockschaltbildebene. Durch die integrierte Schaltungsanordnung 1 kann
der Sensor an unterschiedliche Gleich- oder Wechselspannungsquellen
angeschlossen werden, welche typischerweise im Bereich zwischen
20V und 230 V liegen können.
Für den
Fall, dass die Schaltungsanordnung an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossen wird, weist die Schaltungsanordnung eine Gleichrichtereinheit
zur Gleichrichtung der Wechselspannung auf. Der obere Grenzwert
der anzuschließenden
Spannung von 230 V kann gemäß den geltenden
Normvorschriften innerhalb einer Toleranz von 10% dieses Spannungswertes
variieren.
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In 1 ist
schematisch eine externe Spannungsquelle 2 dargestellt,
die eine Spannung U1 generiert, welche dem Sensor und der darin
integrierten Schaltungsanordnung 1 als Eingangsspannung
zur Verfügung
gestellt wird. Zum Anschluss des Sensors an die Spannungsquelle 2 weist
der Sensor geeignete Anschlussmittel wie zum Beispiel einen Steckverbinder
auf.
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Die
Spannung U1 wird in einen Primärstromkreis
eingespeist, in welchem ein Schalter S1 und eine Induktivität L1 angeordnet
sind. Der Schalter S1 wird über
eine von einer Steuereinheit 3 gesteuerte Treibereinheit 4 betätigt. Der
Induktivität
L1 ist ein Kondensator C1 nachgeordnet. Der Kondensator C1 bildet
die Verbindung zum Sekundärstromkreis,
in welchem der Lastwiderstand R1 des Sensors geschaltet ist.
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Mit
der Treibereinheit 4 kann der Schalter S1 aktiv geöffnet und
geschlossen werden. Durch Schließen des Schalters S1 wird der
Primärstromkreis
geschlossen. Entsprechend der anliegenden Spannung U1 fließt ein Strom
durch die Induktivität L1
und der Kondensator C1 wird aufgeladen. Dadurch wird im Sekundärstromkreis
eine an dem Lastwiderstand R1 anfallende Ausgangsspannung U2 generiert.
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Die
Ausgangsspannung U2 wird in der Steuereinheit 3 mit einem
vorgegebenen Schwellwert verglichen. Sobald die Ausgangsspannung
U2 den Schwellwert erreicht hat, wird in der Steuereinheit 3 ein
Steuersignal für
die Treibereinheit 4 generiert. Dadurch öffnet die
Treibereinheit 4 aktiv den Schalter S1. Durch das Öffnen des
Schalters S1 ist der Primärstromkreis
geöffnet
und die Ausgangsspannung U2 am Lastwiderstand R1 fällt wieder
ab.
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Das
Schließen
des Schalters S1 erfolgt durch die Treibereinheit 4, indem
intern in der Treibereinheit 4 ein entsprechendes Steuersignal
generiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann in der Steuereinheit 3 ein
Steuersignal generiert werden, durch welches mittels der Treibereinheit 4 der
Schalter S1 geschlossen wird.
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In
der Treibereinheit 4 sind vorzugsweise Schaltungselemente
implementiert, mittels derer eine definierte Schaltfrequenz zum
periodischen Schließen
und Öffnen
des Schalters S1 generiert wird.
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2 zeigt
einen detaillierten Schaltungsaufbau der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1. Die
Schaltungselemente aus 1, nämlich die Spannungsquelle 2,
die Steuereinheit 3, die Treibereinheit 4 sowie
die Induktivität
L1, der Kondensator C1 sowie der Lastwiderstand R1 sind in 2 mit den
selben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist der Schalter S1 in diesem Ausführungsbeispiel
als Schalttransistor ausgebildet. Dieser ist im vorliegenden Fall
von einem MOS-FET-Transistor gebildet. Alternativ kann ein Bipolartransistor
eingesetzt werden.
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Die
Treibereinheit 4 weist einen Schaltungszweig bestehend
aus einer Zenerdiode D1 und einem Widerstand R2 auf. Weiterhin weist
die Treibereinheit 4 eine Ansteuerkette bestehend aus einem
ersten Transistor T1 und einem zweiten Transistor T2 auf. Die Ansteuerkette
wird durch einen Widerstand R3 vervollständigt. An die Emitterseite
des Transistors T2 ist ein weiterer Schaltungszweig, bestehend aus einer
Diode D2 und einem Widerstand R4, angeschlossen.
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Die
Steuereinheit 3 besteht im vorliegenden Fall aus einer
Zenerdiode D3 und einem Widerstand R5, welcher den Arbeitswiderstand
der Zenerdiode D3 bildet. Die Zenerdiode D3 und der Widerstand R5 sind
an die Basis des Transistors T2 angeschlossen.
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Schließlich ist
an den Kondensator C1 ein gegen Masse geschalteter Strommesswiderstand
R6 angeschlossen.
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Die
Schaltungsanordnung 1 gemäß 2 besteht
aus Halbleiterbauelementen, die generell als NPN- beziehungsweise
N-Kanal-Halbleiter oder auch als PNP-beziehungsweise P-Kanal-Halbleiter ausgebildet
sein können.
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Der
von der Zenerdiode D1 und dem Widerstand R2 gebildete Schaltungszweig
der Treibereinheit 4 dient zum Schließen des Schalters S1. Der durch
den Widerstand R2 fließende
Strom erzeugt dabei in der Zenerdiode D1 einen definierten Spannungsabfall,
der typischerweise etwa bei 5 V liegt, wodurch der Schalttransistor
sicher einschaltet, was dem Schließen des Schalters S1 entspricht.
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Die
Ansteuerkette bestehend aus den Transistoren T1 und T2 dient zum
Ausschalten des Schalttransistors und damit zum Öffnen des Schalters S1. Das Öffnen des
Schalters S1 erfolgt dabei durch den Transistor T1, der die Steuer spannung
des Schalttransistors kurzschließt, falls er von dem Transistor
T2 einen Basisstrom erhält.
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Wesentlich
hierbei ist, dass der Transistor T2 einen ausreichend großen Basisstrom
liefert, wodurch die Einschaltverzögerung des Transistors T1 und
damit die Ansprechzeit zum Schließen des Schalters S1 kurz gehalten
werden kann.
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Während des
Ausschaltens des Schalttransistors fließt in der Diode D2 ein Freilaufstrom.
Dies führt
zu einem Spannungsabfall am Widerstand R4 an der Emitterseite des
Transistors T2. Dies wiederum führt
zu einem sicheren Einschalten des Transistors T2, wodurch der Ausschaltvorgang
durch die Ansteuerkette der Transistoren T1 und T2 unterstützt wird.
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Weiterhin
wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R4 eine definierte
Schalthysterese, das heißt
eine vorgegebene Schaltfrequenz des Schließens und Öffnens des Schalters S1 generiert. Diese
Schaltfrequenz wird durch die Werte der Spannung U1 und der Ausgangsspannung
U2 sowie durch die Größe des Lastwiderstandes
R1 bestimmt.
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Der
Zeitablauf des Schließens
und Öffnens des
Schalters S1 ist bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß 2 durch
die Komponenten der Treibereinheit 4, der Steuereinheit 3 und
den Strommesswiderstand R6 wie folgt definiert.
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Durch
die Zenerdiode D1 und den Widerstand R2, insbesondere durch den
Spannungsabfall an der Zenerdiode D1, wird ein definiertes Steuersignal
zum Einschalten des Schalttransistors und damit zum Schließen des
Schalters S1 generiert.
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Das
Steuersignal zum Öffnen
des Schalters S1 wird durch die Ansteuerkette der Transistoren T1 und
T2 generiert.
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Dabei
wird der Schalter S1 mittels des Steuersignals dann geöffnet, wenn
die Ausgangsspannung U2 den in der Steuereinheit 3 vorgegebenen Schwellwert
erreicht. Der Schwellwert ist durch die Summe der Zenerspannung
an der Zenerdiode D3 und der Basis-Emitterspannung des Transistors
T2 bestimmt. Da die Zenerspannung erheblich größer ist als die Basis-Emitterspannung
des Transistors T2, ist der Schwellwert im Wesentlichen durch die
Zenerspannung der Zenerdiode D3 bestimmt.
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Die
Schaltfrequenz dieser Schließ-
und Öffnungsvorgänge ist
durch die Schalthysterese, die durch den Widerstand R4 vorgebbar
ist, sowie den Spannungen U1, U2 und den Lastwiderstand R1 vorgegeben.
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Bei
einem Schließen
des Schalters S1 steigt durch die Induktivität L1 bedingt der Strom im Primärstromkreis
stark an. Zur Strombegrenzung wird daher der Strommesswiderstand
R6 eingesetzt. Der Strom durch die Induktivität L1 erzeugt dabei am Strommesswiderstand
R6 einen Spannungsabfall, der bei Überschreitung einer vorgegebenen
Basis-Emitterspannung am Transistor T2 diesen Transistor T2 über den
Widerstand R5 einschaltet und damit den Schalter S1 öffnet. Dadurch
wird der Ladestrom des Kondensators C1 begrenzt. Nach diesem Öffnungsvorgang
wird der Schalter S1 wieder geschlossen. Dieser Ablauf wiederholt
sich solange, bis die Ausgangsspannung U2 den Schwellwert erreicht.
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Durch
den Strommesswiderstand R6 wird somit gewährleistet, dass die Ausgangsspannung
U2 sukzessive bis auf den Schwellwert erhöht wird, ohne dass zu große Stromstärken am
Kondensator C1 auftreten. Durch die mittels des Strommesswiderstands R6
durchgeführte
Strombegrenzung werden somit Beschädigungen der Schaltungsanordnung 1 vermieden.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Spannungsquelle
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Treibereinheit
- C1
- Kondensator
- D1
- Zenerdiode
- D2
- Diode
- D3
- Zenerdiode
- L1
- Induktivität
- R1
- Lastwiderstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4
- Widerstand
- R5
- Widerstand
- R6
- Strommesswiderstand
- S1
- Schalter
- T1
- Transistor
- T2
- Transistor
- U1
- Spannung
- U2
- Ausgangsspannung