DE2220144B2 - Schaltanordnung mit einem lichtschrankensystem als signalgeber - Google Patents

Description

65 Die Erfindung bezieht sich auf eine ein Lichtschrankensystem als Signalgeber enthaltende Schaltanordnung für das Zu- und Abschalten eines Verbrauchers, der zwecks Ausbildung der Schaltanordnung als Zweipol in eine der beiden von der Speisespannungsquelle zu einem der Anordnung vorgeschalteten Gleichrichter führenden Zuleitungen gelegt ist Die Atisbildung derartiger Schaltanordnungen als Zweipole bietet unter anderem den wesentlichen Vorteil, daß eine Verwechslung von Anschlüssen, wie sie bei entsprechenden, mit drei oder vier Anschlußleitungen ausgestatteten Schaltanordnungen in der Praxis laufend vorkommt, sicher vermieden wird

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweipol-Schaltanordnung der im vorstehenden erwähnten Art in schaltungstechnischer Hinsicht mit möglichst geringem Eigenverbrauch und einem Geringstmaß an Aufwand zu verwirklichen und darüber hinaus die Betriebssicherheit der Anordnung sowie die Lebensdauer der Schaltelemente einschließlich derjenigen des Lichtsenders zu erhöhen. Der möglichst geringe Eigenverbrauch der Schaltanordnung ist dabei deshalb von besonderer Bedeutung, weil der Versorgungsstrom der Gesamtanordnung über die Last gezogen wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß parallel zum Ausgang des Gleichrichters ein steuerbares elektrisches Ventil angeordnet ist, dessen Steuerung über einen zugleich als Verstärker wirkenden elektronischen Schalter erfolgt, und daß der Schalter mittels einer gleichzeitig einen mit ihr in Reihe geschalteten Lichtsender triggernden Kippdiode jeweils nur während deren Durchlaßzustand Betriebsspannung erhält und jeweils abhängig von der Höhe des am Lichtempfänger auftretenden Signals das steuerbare elektrische Ventil durchschaltet oder im Sperrzustand beläßt. AU besonders vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, als s'.euerbares elektrisches Ventil einen Thyristor zu "erwenden und den diesem zugeordneten elektronischen Verstärker bzw. Schalter als Transistor auszubilden, ferner als Triggerdiode eine Vierschichtdiode und als Lichtsender eine Gallium-Arsenid-Diode einzusetzen, die mit einer Fotodiode korrespondiert. Dabei ist wesentlich, daß die Steuervorgänge dieser Elemente oder an diesen Elementen synchron ablaufen.

Es ist eine zweipolige Thyristorschaltvorrichtung für Wechselstromkreise bekannt, welche über eine Gleichrichteranordnung an den zu schaltenden Wechselstromkreis angeschlossen ist. Dabei wird der Thyristor von einer Steuerelektronik in Anschnittsteuerung geschallet und bei eingeschalteter Last werden die Anschnittzipfel der angeschnittenen Halbwellen differenziert und einer Gleichrichterschaltung zugeführt. Die nach Gleichrichtung und Siebung durch einen Kondensator gewonnene geglättete Gleichspannung wird dann zur Versorgung der Steuerelektronik verwendet (DT-OS 19 24 2/9).

Eine derartige Schaltvorrichtung dient im wesentlichen dem Zweck, eine zuverlässige Energieversorgung der internen Elektronik von zweipoligen Thyristorschaltvorrichtungen auch im durchgeschalteten Zustand zu erreichen.

Demgegenüber soll mit der anmeldungsgemäßen Schaltanordnung, die ein Lichtschrankensystem als Signalgeber für das Zu- und Abschalten eines Verbrauchers enthält, insbesondere erreicht werden, daß mit einem Geringstmaß an Schaltungsaufwand der Eigenverbrauch der Schaltung äußerst gering wird. Dabei ist eine wesentliche Schaltungsmaßnahme die, die Impulse des Lichtsencers gleichzeitig als Speisespan-

nung für einen elektronischen Schalter zu verwenden. Dadurch ist einerseits gewährleistet, daß der Ruhestrom durch den elektronischen Schalter (Transistor) auf einem solchen Wert verharrt, daß der Verbraucher stets und reproduzierbar sicher anspricht und andererseits aufgrund des Impuls-Pausen-Verhältnisses zwangsläufig die Sicherheit gegen Störeinflüsse erhöht wird. Die bekannte zweipolige Thyristorschaltvorrichtung steht demgemäß mit dem Anmeldungsgegenstand in keinem näheren Zusammenhang.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Katode der Vierschichtdiode über sinen Widerstand mit dem Kollektor des Transistors sowie ebenfalls über einen Widerstand mh der Anode der Gallium-Arsenid-Diode leitend verbunden ist, welche ihrerseits katodenseitig am einen Auegang des Gleichrichters liegt, dessen anderer Ausgang über einen Widerstand an di; Anode der Vierschichtdiode geführt ist. Die mit ihrem einen Anschluß auf dem gleichen Potential wie die Katode der Gallium-Aisenid-Diode liegende Fotodiode wird zweckmäßigerweise kapazitiv an einen Spannungsteiler angekoppelt und der Ankopplungspunkt an die Basis des Transistors gelegt. Der entscheidende Gesichtspunkt ist dabei, daß der die von der Fotodiode empfangenen und von dieser entsprechend umgesetzten Impulse verstärkende Transistor nur während der Dauer dieser Impulse und damit synchron mit der Erregung der Gallium-Arsenid-Diode seine Betriebsspannung erhält Würde nämlich die Betriebsspannung ständig in voller Höhe am Transistor anliegen, so wäre der Verbrauch, d. h„ der Ruhestrom durch den Transistor, so hoch, daß der Verbraucher, z. B. ein Schütz, nicht mit Sicherheit abfallen würde.

Um beim Durchschalten des Thyristors die Sperrwirkung des auch als Schalter wirkenden Transistors zu unterstützen, wird dessen Basis eine von einem parallel zum Thyristor liegenden Spannungsteiler abgegriffene Spannung zugeführt, welche das Basispotential positiver macht und beim Durchschalten des Thyristors in Folge des dadurch entstehenden Quasi-Kurzschlusses nahezu zusammenbricht, so daß die Basis des Transistors um den entsprechenden Spannungswert negativer wird und der Transistor somit sicher abgesperrt bleibt.

Die Erfindung, wird im nachstehenden anhand eines Schaltbildes, das die Anordnung im Prinzip wiedergibt, noch näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der Anordnung,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Versorgungs- und Pulsspannung, ebenfalls im Prinzip.

Wie aus dem Schaltbild ersichtlich ist, liegt in der Zuleitung 1, die von der Speisespannungsquelle (Netzwechselspannung) zum Brückengleichrichter 2 führt, ein Lastwiderstand 3, z. B. in Form eines Schaltschützes od. dgl. Das durch einen Thyristor 4 verkörperte elektrische Ventil ist parallel zum Ausgang des Brückengleichrichters geschaltet, liegt also in der Brückendiagonale. Die Steuerelektrode 5 des Thyristors 4 ist über eine Diode 6 mit dem Kollektoranschluß 7 des Transistors 8 leitend verbunden. Der Kollektor dieses Transistors ist außerdem über einen Widerstand 9 an die Katode der als Vierschichtdiode ausgebildeten Triggerdiode 10 geführt, die katodenseitig ferner mit einem Widerstand 11 und dem als Gallium-Arsenid-Diode ausgebildeten Lichtsender 12 in Reihe geschaltet ist. Die Katode der Gallium-Arsenid-Diode 12 sowie die Katode des Thyristors 4 sind an einen Ausgang 13 des Brückengleichrichters angeschlossen.

Die Vierschichtdiode 10 ist 2nodenseitig über einen Widerstand 14 an den zweiten ausgangsseitigen Anschluß 15 des Brückengleichrichters 2 geführt, an den auch die Anode des Thyristors 4 angeschlossen ist. Die aus dem Widerstand 14, der Vierschichtdiode 10, dem Widerstand 11 und der Gallium-Arsenid-Diode 12 gebildete Serienschaltung liegt somit parallel zum Thyristorzwejg. Der während der Pulsdauer durch diese Reihenschaltung fließende Strom ist gegenüber dem Ansprechstrom des Schaltschützes 3 praktisch vernachlässigbar oder liegt zumindest erheblich darunter. Zwischen der Anode der Vierschichtdiode und dem ausgangsseitigen Brückenanschluß 13 liegt ein Kondensator 16, der zur Erzeugung eines Entladestromimpulses dient Die Fotodiode 17 ist über eine Kapazität 18 an den Widerständen 19, 20 gebildeten Spannungsteiler angekoppelt und der Ankopplungspunkt 21 an die Basis 22 des Transistors 8 angeschlossen. Der Widerstand 23 bildet mit der Fotodiode 17 ebenfalls einen Spannungsteiler. Der Basis 22 des Transistors 8 wird zusätzlich eine von dem ebenfalls parallel zum Thyristor 4 liegenden, aus den Widerständen 24, 25 bestehenden Spannungsteiler abgenommene Spannung über eine Diode 26 und einen Widerstand 27 zugeführt

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist im Prinzip folgende:

Der Kondensator 16 wird über den Widerstand 14 von der pulsierenden Gleichspannung aufgeladen. Sobald die Kondensatorspannung die Schaltspannung der Vierschichtdiode 10 erreicht hat, kippt diese in den leitenden Zustand und die Gallium-Arsenid-Diode 12 erhält einen Ladestromimpuls, durch den das Aussenden eines Lichtimpulses bewirkt wird, der je nachdem, ob der Lichtkanal zur Fotodiode 17 unterbrochen ist oder nicht, dessen Widerstandswert so beeinflußt, daß an der Basis 22 des Transistors 8 entweder ein negativer Spannungsimpuls eintrifft oder das Basispotential praktisch unbeeinflußt bleibt.

Im Falle des Auftreffens eines Lichtimpulses auf die Fotodiode 17 gelangt beim vorliegenden Schaltungsbeispiel synchron dazu ein negativer Impuls an die Basis 22 des Transistors 8. so daß dessen Kollektor-Emiuerstrekke gesperrt wird und der Transistor somit kollektorseitig auf Speisespannungspotential liegt. Der an der Basis des Transistors anstehende Spannungsimpuls gelangt verstärkt über die Diode 6 zur Steuerelektrode 5 des Thyristors 4 und der Thyristor zündet durch. Damit ist der Stromkreis für den Verbraucher 1 geschlossen, und, sofern dieser durch ein Schütz 3 verkörpert ist, führt dieses eine Schaltfunktion aus.

Mit dem Kippen der Vierschichtdiode 10 in den leitenden Zustand wird der Stromkreis: Katode der Vierschichtdiode, Widerstand 9 und der Kollektoranschluß 7 geschlossen, so daß der Transistor 8 seine Betriebsspannung erhält, die für seine Verstärker bzw. Schalterfunktion Voraussetzung ist. Bei einer die Schaltschwelle noch nicht erreichenden Änderung des Widerstandes der Fotodiode bleibt die positive basisspannung des npn-Transistors erhalten und die Kollektor-Emitterstrecke wird leitend, so daß die Kollektorspannung des Transistors 8 veriiachlässigbar ist und der Thyristor 4 demzufolge in seinem Sperrzustand verbleibt. Eine Steuerspannung für den Thyristor steht somit nicht an, und das Schütz schaltet nicht.

Sobald die Speisespannung der Vierschichtdiode den Wert deren Schaltspannung unterschreitet, kippt die Diode wieder in den Sperrzustand, wodurch sowohl die

Gallium-Arsenid-Diode 12 als auch der Transistor spannungsfrei werden. Im blockierenden Zustand des Thyristors 4 liegt an der Basis 22 des Transistors 8 die am Spannungsteiler 24, 25 über die Diode 26 abgegriffene positive Spannung, die einerseits im durch die Vierschichtdiode 10 jeweils betriebsbereit gemachten Zustand des Transistors 8 ein Sperren der Kollektor-Emitterstrecke sicher verhindert und andererseits im Durchlaßzustand des Thyristors 4 nahezu zusammenbricht, wodurch die Basis des Transistors negativer wird und damit zusätzlich ein absolut sicheres Sperren der Kollektor-Emitterstrecke bewirkt.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, kippt die Vierschicht-Diode 10 in den leitenden Zustand, wenn die Brücken-Speisespannung Ub den der Schaltspannung der Diode 10 entsprechenden Wert Us erreicht hat.

Damit erhält die Gallium-Arsenid-Diode 12 zur Zeil fi einen Entladestromimpuls Upüberden Kondensator 16. Sinkt die Spannung Ub unter den Wert Us, dann kippt die Vierschichtdiode wieder in den Sperrzustand. Dies ist zur Zeit ^ der Fall. In der Zeit, während der die Schaltspannung Us der Vierschichtdiode noch nicht unterschritten ist, ist die Spannung am Kollektor des Transistors 8 so gering, daß kein nennenswerter Stromfluß (Ruhestrom) zustande kommt. Nur während der Pulszeit fließt über die Gallium-Arsenid-Diode ein entsprechender Strom, der hinsichtlich seiner Wirkung auf den Verbraucher völlig unschädlich ist. Infolge dieses nur kurzfristig fließenden Stromes ist dessen Effektivwert so gering, daß dieser Strom bezogen auf den für das Ansprechen des Verbrauchers erforderlichen Strom praktisch vernachlässigbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   "- U Schaltanordnung für das Zu- und Abschalten -*«ines Verbrauchers, die ein Lichtschrankensystem als Signalgeber enthält und durch Anordnung des Verbrauchers in einer der beiden von der Speisespannungsquelle zu einem der Anordnung vorgeschalteten Gleichrichter rührenden Zuleitungen als Zweipol ausgebildet ist, dadurch gekenn- to zeichnet, daß parallel zum Ausgang des Gleichrichters (2) ein steuerbares elektrisches Ventil (4) angeordnet ist, dessen Steuerung über einen zugleich als Verstärker wirkenden elektronischen Schalter (8) erfolgt, und dal? der Schalter mittels einer gleichzeitig einen mit ihr in Reihe geschalteten Lichtsender (12) triggernden Kippdiode (10) jeweils nur während deren Durchlaßzustand Betriebsspannung erhält und jeweils abhängig von der Höhe des am Lichtempfänger (17) auftretenden Signals das steuerbare elektrische Ventil (4) durchschaltet oder im Sperrzustand beläßt.
2. 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare elektrische Ventil (4) als Thyristor, der elektronische Schalter (8) als Transistor, die Triggerdiode (10) als Vierschichtdiode, der Lichtsender (12) als Gallium-Arsenid-Diode und der Lichtempfänger (17) als Fotodiode ausgebildet sind und die Steuervorgänge an diesen Elementen synchron ablaufen.
3. 3. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode der Vierschichtdiode (10) über einen Widerstand (9) mit dem Kollektor (7) des Transistors (8) sowie ebenfalls über einen Widerstand (11) mit der Anode der Gallium-Arsenid-Diode (12) leitend verbunden ist, welche katodenseitig am einen Ausgang (13) des Brückengleichrichters (2) liegt, dessen anderer Ausgang (15) über einen Widerstand (14) an die Anode tier Vierschichtdiode (10) geführt ist.
4. 4. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch geker nzeichnet, daß der eine Anschluß der Fotodiode (17) mit der Katode der Gallium-Arsenid-Diode (12) leitend verbunden ist und der zweite Anschluß der Fotodiode (17) über eine Kapazität (18) an einen Spannungsteiler (19, 20) angekoppelt ist und dieser Ankopplungspunkt an die Basis (22) des Transistors (8) geführt ist.
5. 5. Schaltanordnung nach den Ansprüchen I - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Transistors (8) eine von einem parallel zum Thyristor (4) liegenden Spannungsteiler (24, 25) abgenommene Spannung zugeführt wird.
6. 6. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher durch ein Schaltschütz verkörpert ist.
7. 7. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der während der Pulsdauer durch die aus dem Widerstand (14), der Vierschichtdiode (10), dem Widerstand (11) und der Gallium-Arsenid-Diode (12) gebildete Reihenschaltung fließende Strom gegenüber dem Ansprechstrom des Schützes (3) vernachlässigbar ist.