DE2753869A1 - Messwertgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Positions- bzw. Annäherungsdetektoren, die als Detektoren "mit zwei Drähten" bezeichnet werden, d.h. die sowohl für die Stromversorgung als auch für die Signalabgabe insgesamt nur zwei Anschlüsse besitzen und die einen Meßwertgeber aufweisen, der für die Stellung bzw. Position eines Gegenstandes empfindlich ist und ein Steuersignal abgibt, sowie ein durch dieses Signal gesteuertes, elektronisches Schaltglied und einen Verbraucher, wobei das Schaltglied über den Verbraucher an das Wechselstromnetz angeschlossen ist.

Bei bekannten Schaltungen dieser Art ist in den meisten Fällen das Schaltglied, das im allgemeinen einen Thyristor oder einen anderen elektronischen Schalter umfaßt, an die einen gleichgerichteten Strom abgebenden Anschlüsse einer Diodenbrücke angeschlossen, die vom Netz über den Verbraucher gespeist wird, während der Meßwertgeber, der in den meisten Fällen einen Oszillator oder eine andere empfindliche Schaltung umfaßt, die eine gleichgerichtete und stabilisierte Hilfs-Versorgungsspannung erfordert, gleichzeitig mit den anderen Schaltungselementen entweder ausgehend von dem Umschaltglied oder von der Gleichrichterbrücke gespeist wird.

Die Erzeugung dieser Hilfs-Spannung bildet das Hauptproblem bei der Verwirklichung dieser Art von Schaltungen, bei denen man nur zwei Drähte nach außen führt.

Tatsächlich ist ja, wenn der elektronische Schalter bzw. Unterbrecher geschlossen ist, die Spannung an seinen Anschlüssen praktisch gleich Null. Gemäß dem Stand der Technik hat man versucht, diese Schwierigkeit zu überwinden, indem man entweder einen Spannungsabfall dadurch erzeugte, daß man eine Zener-Diode oder ein anderes Bauelement mit ver-

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änderbarem Widerstand in Reihe mit dem Umschaltorgan geschaltet hat, oder daß man ein derartiges Element mit veränderbarem Widerstand parallel zu aen /gleichgerichteten stromabgebenden Anschlüssen der Brücke geschaltet hat, gleichzeitig mit einem Hilfsthyristor, mit dem man systematisch das periodische Zünden durch die gleichgerichtete und nicht gefilterte Netzspannung in der Weise verzögert, daß die Hilfsspannung während der Verzögerung erzeugt werden kann, die dieses Zünden bzw. Schalten vom Nulldurchgang der gleichgerichteten Spannung des elektronischen Unterbrechers trennt.

Es wird als wünschenswert betrachtet, Schaltungen dieser Art mittels einer Wechselspannung versorgen zu können, die innerhalb sehr weiter Grenzen (beispielsweise von 20 Volt bis 240 Volt effektiv) veränderbar ist.

Die bekannten, oben erwähnten Lösungen sind jedoch für hohe Werte der Versorgungsspannung nicht zufriedenstellend. Tatsächlich kann die Hilfsspannung nicht auf einen bequemen Wert reduziert werden, wenn der Unterbrecher offen ist, außer man nimmt einen beträchtlichen thermischen Verlust in Kauf, der zu einer Uberdimensionierung der Bauelemente der Schaltung führt und somit unter ökonomischen Gesichtspunkten sehr nachteilig erscheinen muß.

Zur Linderung dieser Nachteile wurden verschiedene Schaltungen vorgeschlagen, in denen die Zenerdiode oder der Hilfsthyristor mit einem Gleichstrom versorgt werden, der den Verbrauch bzw. die Leistungsaufnahme bei hohen Versorgungsspannungen begrenzt. Jedoch löst keine dieser Schaltungen in einwandfreier Weise das Problem für die beiden Zustände des Schalt-Thyristors.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionsdetektor mit nur zwei Anschlußdrähten zu schaffen, der mit Wechselstrom durch eine Vorrichtung versorgt wird, deren Verbrauch bzw. Leistungsaufnahme verringert ist, ganz gleich, ob das Schaltglied leitend ist oder nicht,und dies in einem sehr weiten Bereich der Netzspannung unter Verwendung einer möglichst geringen Zahl von Bauelementen.

Der erfindungsgemäße Detektor ist dadurch gekennzeichnet, daß die den Meßwertgeber mit dem Steuereingang verbindenden Schaltungsmittel ein Sperrorgan umfassen, das durch das Steuersignal leitend gemacht wird und somit die Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters verhindert, daß das Hilfs-Versorgungs-Glied einen ersten Spannungs-Regelkreis umfaßt, der zwischen den Anschlüssen in der Weise angeschlossen ist, daß das Sperrorgan sein Arbeiten verhindert, wenn es blockiert ist, daß ein zweiter Spannungs-Regelkreis zwischen den Anschlüssen in der Weise angeschlossen ist, daß er nur dann funktionieren kann, wenn das Sperrorgan blockiert ist, daß der erste Regelkreis zwei komplementäre Leitungswege umfaßt, deren Impedanzen sich in entgegengesetztem Sinn verändern, wenn die Netzspannung wächst, wobei der eine dieser beiden Wege einen ersten Ballast-Leiter umfaßt, und daß der zweite Regelkreis Mittel umfaßt, die dazu dienen, eine Verzögerung des Zündens bzw. Durchschaltens des gesteuerten Gleichrichters zu bewirken und während dieser Verzögerung einen Kondensator bis auf eine im wesentlichen konstante Spannung aufzuladen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Annäherungsdetektors, und

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Fig. 2 in Abhängigkeit von der Netzspannung den Strom, den der erste Regelkreis liefert, den das Hilfs-Versorgungsorgan eines solchen Detektors umfaßt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung umfaßt im wesentlichen eine Gleichrichterbrücke, die aus den Dioden 3 bis 6 aufgebaut ist und vom Wechselstromnetz (Anschlüsse 1 und 2) über einen Verbraucher U versorgt wird. Ein Schalttiyristor 9 ist zwischen den den gleichgerichteten Strom liefernden Anschlüssen der Brücke angeschlossen. Ein Sperrorgan, das von einem in gestrichelten Linien gezeichneten Rechteck A umgrenzt ist, besteht aus einem Transistor 35 und einer Diode 36. Ein erster Hilfs-Versorgungskreis ist von einem mit gestrichelten Linien gezeichneten Rechteck B umgrenzt. Ein zweiter Hilfs-Versorgungskreis ist von einem mit gestrichelten Linien gezeichneten Rechteck C umschlossen und ein Aufnehmer bzw. Meßwertgeber ist durch das Rechteck D dargestellt.

Der positive Anschluß 7 des Brückengleichrichters 3 bis 6 und sein negativer Anschluß 8 sind miteinander kurzgeschlossen, wenn sich der Thyristor 9 im leitenden Zustand befindet. Letzterer besitzt eine Anode 10, eine Kathode 11 und eine Steuerelektrode 12. Eine Diode 13 ist mit der Kathode 11 so in Reihe geschaltet, daß sie in bekannter Weise das Löschen des Thyristors am Ende einer gleichgerichteten Halbwelle unterdrückt, wenn nicht ein Signal an der Steuerelektrode 12 anliegt.

Wenn der Meßwertgeber D ein Steuersignal an seinem Ausgangsanschluß 14 abgibt, dann wird der Transistor 35 leitend gemacht und dies hat über die bei 15 an die Steuerelektrode 12 angeschlossene Diode 36 zur Folge, daß die Ansteuerung der Steuerelektrode des Thyristors 9 unterdrückt wird.

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Somit zündet dieser nicht, woraus sich das Fehlen eines Stroms in dem Verbraucher U ergibt. In diesem Fall wird dann die Hilfsschaltung B in Betrieb gesetzt, wie dies im folgenden erläutert wird.

Die Schaltung B umfaßt zwei Widerstände 16 und 17, die mit einer Zener-Diode 18 in Reihe liegen. Diese Bauelementegruppe wird mit der gleichgerichteten und nicht gefilterten, zwischen den Leitern 7 und 8 vorhandenen Spannung versorgt.

Weiterhin umfaßt die Schaltung D ein Ballast-Halbleiter-Bauelement 19, einen Widerstand 23 und einen Filterkondensator 25, die in Serie geschaltet sind und ebenfalls mit der zwischen den Drähten 7 und 8 herrschenden Spannung versorgt werden. Schließlich ist ein Erregungs- bzw. Ansteuertransistor 26 im Nebenschluß zwischen dem den Widerständen 16 und 17 gemeinsamen Punkt E und dem dem Widerstand 23 und dem Kondensator 25 gemeinsamen Punkt F geschaltet.

Die Steuerelektrode 21 des Ballast-Halbleiters 19 wird von einem Strom erregt bzw. angesteuert, der sich aus der Differenz zwischen dem Strom ergibt, der durch den Widerstand 16 fließt, und dem Strom, der vom Transistor 26 abgeleitet wird. Letzterer wird durch die Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes 17 erregt bzw. gesteuert, der zwischen seinen Emitter 27 und seine Basis 28 gelegt ist.

Je höher die Netzspannung ist, desto niedriger ist der Scheinwiderstand des Erregungs-Halbleiters 26 und um so schwächer ist der Strom, der sich aus der Ansteuerung des Ballast-Bauelementes 19 ergibt. Dieses Ballast-Bauelement besitzt aufgrund dessen einen erhöhten Scheinwiderstand: hieraus ergibt sich schließlich, daß die Summe des durch

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das Ballast-Bauelement (zwischen seinen Hauptelektroden bis 22) und den Widerstand 23 hindurchfließenden Strom und dem vom Erregungs-Transistor abgegebenen Strom, die den Meßwertgeber D zwischen seinen Anschlüssen 30 und 24 versorgt, konstant ist. Hierbei ist die thermische Verlustleistung sehr niedrig.

Wenn die Netzspannung weiterhin anwächst, dann zeigt der den Ballast-Halbleiter durchfließende Strom die Tendenz, in zunehmendem Maße kleiner zu werden. Er wird gleich Null, wenn der Ansteuerungs-Halbleiter 26 sich im Sättigungszustand befindet; der Meßwertgeber wird dann praktisch nur noch über den Widerstand 16 und über die Hauptelektroden 27 und 29 des Halbleiters 26 versorgt. Oberhalb der Schwelle der Netzspannung, die zu diesem Ergebnis führt, arbeitet die erste Hilfsschaltung nicht mehr als Regler und es findet ein lineares Anwachsen des Meßwertgeberstromes statt, der jedoch durch den Widerstand 16 begrenzt wird.

Fig. 2 zeigt diese Arbeitsweise. Zwischen der unteren Schwelle für die Netzspannung V (20 V effektiv beispielsweise) und einer Schwelle von 160 V effektiv,wird der den Meßwertgeber durchfließende Strom i auf den Wert I stabilisiert; oberhalb von 160 V und bis zum zulässigen Maximaum, beispielsweise 240 V effektiv, wächst dieser Strom linear an, jedoch mit einer Neigung, die wesentlich geringer ist, als die Neigung, die erforderlich wäre, um das Arbeiten für die untere Schwelle der Netzspannung sicherzustellen, d.h. mit einer Wärmeverlustleistung, die bezüglich der Wärmeverlustleistung der herkömmlichen Schaltungen verringert ist.

Obwohl der Ballast-Halbleiter 19 prinzipiell von einem Hochspannungstransistor gebildet sein könnte, ist es in der Praxis vorteilhaft, einen als Transistor arbeitenden Thyristor

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zu verwenden, d.h. mit einem Anodenstrom, der kleiner ist, als der Haltestrom, der eine Funktion des aus der Steuerelektrode herausfließenden Stromes ist. Dank dieser Anordnung besitzt die Schaltung eine große Zuverlässigkeit, da jede Netzüberspannung den Ballast-Halbleiter sofort leitend macht, ohne daß sich daraus eine Verschlechterung seiner Eigenschaften ergibt; im übrigen wird ein kräftiger Rufstrom beim unter Spannung setzen sichergestellt.

In dem Fall, in dem der Meßwertgeber D an seinem Anschluß 14 kein Signal abgibt, leitet das Sperrorgan A nicht und der erste Hilfsschaltkreis B zur Stabilisierung auf eine konstante Stromstärke ist somit nicht wirksam; die Stabilisierung der Versorgungsspannung des Meßwertgebers wird dann mit Hilfe des zweiten Hilfsschaltkreises C auf folgende Weise erzielt.

Der Schaltkreis C umfaßt eine Diode 32, deren Kathode mit dem Punkt F verbunden ist, eine Zener-Diode 31, deren Anode mit der Anode der Diode 32 verbunden ist, während die Kathode mit der Kathode des Halbleiters 19 zusammengeschaltet ist, sowie eine Zener-Diode 33, deren Kathode mit dem der Diode 32 und der Zener-Diode 31 gemeinsamen Punkt verbunden ist und deren Anode am Verbindungspunkt 15 liegt. Ein Widerstand 34 verbindet den Punkt 15 mit der Leitung

Legt man die Netzspannung an, dann zündet der den Widerstand 16, den Weg von der Steuerelektrode 21 zur Kathode 22 des Ballast-Bauelementes und den Widerstand 23 durchfließende Strom die Diodenleitung des Ballastbauelementes 19 und von da aus ein schnelles Aufladen des Filterkondensators 25 bis auf einen solchen Wert, daß die Spannung am Verbindungspunkt zwischen der Diode 32 und der Zenerdiode 33 die Schwellspannung der letzteren überschreitet.

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OO

Somit liefert nun die Zenerdiode 33 einen Strom an die Steuerelektrode 12 des Schaltthyristors 9 und den zugehörigen Widerstand 34. Der Schaltthyristor zündet somit und wird dann auf natürliche Weise beim Nulldurchgang der abnehmenden Werte des gleichgerichteten und nicht gefilterten zwischen den Leitungen 7 und 8 vorhandenen Stroms gelöscht.

Das zyklische Wiederzünden des Ballast-Bauelementes geschieht im folgenden im Verlauf eines jeden Anstiegs dieser Spannung immer dann, wenn diese Spannung die an den Anschlüssen des Kondensators 25 vorhandene und um den Spannungsabfall in der Diode 32 erhöhte Spannung übersteigt, wodurch ein Arbeiten (durch eine Verzögerung des zyklischen Zündens) des Thyristors 9 sichergestellt ist. Tatsächlich übersteigt zwischen dem Beginn des Wiederanstiegs der Spannung zwischen den Leitungen 7 und 8 und der Rückzündung des Thyristors 9, d.h. während der Kondensator 25 geladen wird, die Spannung an den Anschlüssen dieses Kondensators nicht die Differenz der Spannungsabfälle an den Anschlüssen der Dioden 33 und 32.

Da der Widerstand 34 einen niederen Wert hat, wird die mittlere Ladespannung des Filterkondensators 25 und somit die Versorgungsspannung des Meßwertgebers D -auf einen Wert stabilisiert, der der Differenz der Spannungsabfälle in den Dioden 33 und 32 entspricht, wobei eine Welligkeit in der Größenordnung von Volt auftritt.

Die Verzögerung der zyklischen Zündung, die auf diese Weise so realisiert ist, daß keinerlei Elemente in Reihe mit dem Schaltthyristor liegen, stellt eine sehr niedrige Wärmeverlustleistung sicher, ganz gleich wie hoch die Netzspannung ist, und dies um so mehr, da die Zündungsverzögerung abnimmt, wenn die Netzspannung steigt.

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Die Erfindung schafft also eine Stromversorgung für den Meßwertgeber D und die Hilfsorgane, ausgehend von einer Gleichrichterbrücke 3, 4, 5, 6, mit Hilfe von zwei Regelschaltungen, von denen die erste arbeitet, wenn ein Sperrtransistor 35 leitend ist, während die zweite arbeitet, wenn der Sperrtransistor blockiert ist bzw. sperrt. Der erste Regelschaltkreis ist vom Ballasttyp (Widerstände 16, 17, 23; Zenerdiode 18, Ansteuer- bzw. Erregungstransistor 26 und Ballastthyristor 19). Der zweite Regelschaltkreis (Diode 32 und Zenerdioden 31 und 33) ist so aufgebaut, daß er eine Verzögerung der Zündung des Schaltthyristors 9 erzeugt. Diese Anordnung ist insbesondere für Detektoren geeignet, die von einer Wechselspannung versorgt werden, die sich innerhalb eines sehr großen Bereiches ändern kann.

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Claims (5)

MANITZ. FINSTERWALD & CRÄMKOW LA TELEMECANIQUE ELECTRIQüE München, den 2.12.77 33bis et ter Avenue du Marechal Joffre F-92OOO NANTERRE, Frankreich S/2/Ru-T 2131 Meßwertgeber Patentansprüche

1.)Meßwertgeber für den Wert einer physikalischen Größe, ins- ^— besondere Annäherungs-Meßwertgeber, der in der Lage ist, innerhalb eines ausgedehnten Bereiches der Wechselspannung des Versorgungsnetzes zu arbeiten und der folgende Teile umfaßt: einen ein Steuersignal abgebenden Meßwertaufnehmer, eine Gleichrichterbrücke, die an das Netz über einen Verbraucher- bzw. Lastkreis angeschlossen ist, einen gesteuerten Halbleiter-Gleichrichter, der an die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichterbrücke angeschlossen ist und einen Steuereingang besitzt, eine Vorrichtung zum Verbinden des Aufnehmers mit diesem Steuereingang und ein Hilfs-Versorgungsorgan, das an die Gleichstrom-Anschlüsse angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verbindung des Aufnehmers an

ORIGINAL INSPECTED

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DR. C. MANITZ ■ DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIFL.-INC. W. ORAMKOW ZENTHALKASSE IAYiR. VOLKSBANKEN

β MONCHtN 39. ROIERT-KOCH-STRASSf I 7(TUTTCAIITaO IIAO CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7370

TEL. <OI9> 33 4311. TELEX OB - 39673 FATMF tEELIIRCSTR. SS/35. TEL. <07ΙΙ)β6 7» 61 POSTSCHECK ι MÖNCHEN 77063-βΟβ

den Steuereingang ein Sperrorgan umfassen, das durch das Steuersignal leitend gemacht wird und somit die Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters hemmt, daß das Hilfs-Versorgungsorgan einen ersten Spannungs-Regelkreis umfaßt, der zwischen den Anschlüssen in der Weise angeschlossen ist, daß das Sperrorgan sein Arbeiten hemmt, wenn es blockiert ist, und einen zweiten Spannungs-Regelkreis, der zwischen den Anschlüssen in der Weise angeschlossen ist, daß er nur dann arbeiten kann, wenn das Sperrorgan blockiert ist, daß der erste Regelkreis zwei komplementäre Leitungswege umfaßt, deren Impedanzen sich in entgegengesetztem Sinn ändern, wenn die Netzspannung wächst, daß einer dieser beiden Wege einen Ballast-Halbleiter umfaßt, und daß der zweite Regelkreis Mittel umfaßt, die dazu dienen, die Zündung des gesteuerten Gleichrichters zu verzögern und während dieser Verzögerung einen Kondensator bis auf eine im wesentlichen konstante Spannung aufzuladen.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelkreis folgende Teile umfaßt: einen ersten und einen zweiten Widerstand und eine Zenerdiode, die mit dem Sperrorgan in Reihe geschaltet sind, einen Ballast-Halbleiter, der in Reihe mit einem dritten Widerstand und dem Kondensator liegt und einen der beiden Leitungswege bildet, und einen Ansteuertransistor, der mit dem ersten Widerstand und dem Kondensator in Reihe liegt und den anderen Leitungsweg bildet, wobei der Ballast-Halbleiter eine Steuerelektrode besitzt, die mit dem gemeinsamen Punkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand und mit der Eingangselektrode des Ansteuertransistors verbunden ist, während letzterer eine Steuerelektrode besitzt, die mit dem gemeinsamen Punkt zwischen dem zweiten Widerstand und der Zenerdiode verbunden ist.

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3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballast-Halbleiter ein Thyristor ist, der unterhalb seines Haltestromes arbeitet.

4. Detektor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Zündverzögerung eine erste und eine zweite Zenerdiode und eine Diode umfassen, daß die erste Zenerdiode in entgegengesetzter Serienschaltung mit dem Ballast-Halbleiter und mit der Diode verbunden ist, während die zweite Zenerdiode mit dem gemeinsamen Punkt der ersten Diode und der Diode verbunden ist und an der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters und am Sperrorgan liegt.

5. Detektor nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die von der ersten Zenerdiode und der Diode gebildete Bauelementegruppe parallel zu dem dritten Widerstand angeschlossen ist, und daß ein vierter Widerstand die Strecke zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des gesteuerten Gleichrichters überbrückt.

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