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Die Erfindung betrifft einen Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der DE-AS 24 46 454 ist ein berührungsloses Schaltgerät bekannt, das eine mit ihren Wechselstromeingängen über eine Last mit einem Wechselstromkreis verbundene Gleichrichterschaltung aufweist, deren Gleichstromausgänge über einen Thyristor miteinander verbunden und kurzgeschlossen sind, wenn dieser gezündet ist. Ein als Schaltsignalgeber dienender Oszillator ist mit seinem Signalausgang mit der Basis eines Transistors verbunden, der zusammen mit einem zweiten Transistor einen elektronischen Schalter bildet, wobei der Kollektor des zweiten Transistors über eine Zener- Diode mit einem Ausgang einer Stromversorgungsschaltung und der Emitter des zweiten Transistors mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.
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Solange der Oszillator kein Ausgangssignal liefert, sperrt der erste Transistor und an der Basis des zweiten Transistors liegt eine positive Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung über Widerstände an, so daß der zweite Transistor leitend ist.
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Zu Beginn jeder Halbwelle wird der Oszillator mit Strom versorgt, wobei ein zwischen seinen Versorgungseingängen liegender Speicherkondensator aufgeladen wird. Sobald die Spannung am Speicherkondensator die Durchbruchsspannung der Zener-Diode erreicht fließt ein Zündstrom über die leitende Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors zur Steuerelektrode des Thyristors, so daß dieser gezündet wird und die Gleichstromausgänge der Gleichrichterschaltung kurzschließt. Liegt jedoch ein Ausgangssignal des Oszillators an der Basis des ersten Transistors an, so sperrt der zweite Transistor, so daß kein Zündstrom zur Steuerelektrode des Thyristors fließen kann und dieser über die gesamte Halbwelle sperrt.
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Diese bekannte Schaltung liefert zwar eine weitgehend stabilisierte Betriebsspannung für den Oszillator, jedoch müssen die Strombegrenzungswiderstände sowie die eine Stromquelle für den Oszillator bildenden Schaltungselemente so ausgelegt werden, daß sie, wenn bei sperrendem Thyristor die volle Netzwechselspannung anliegt und infolge der so bedingten Ströme beträchtliche thermische Verluste auftreten, diese thermischen Verluste aufnehmen können.
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Dies führt zu einer Überdimensionierung der Schaltung, die wirtschaftlich nicht vertretbar ist. Hinzu kommen die beträchtlichen thermischen Verluste die einen unnötigen und unerwünschten Energieverbrauch darstellen.
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Aus der DE-AS 23 30 233 ist ein Konstantstromgenerator für ein elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes Schaltgerät bekannt, der einen in Emitterschaltung betriebenen Transistor umfaßt, dessen Kollektor und dessen Basis an einen Hilfswiderstand angeschlossen sind. An die Basis des Transistors ist eine Zener-Diode angeschlossen, die die an der Basis des Transistors anliegende Spannung konstant hält und damit auch eine konstante Spannung am Emitter des Transistors bewirkt. Die konstante Spannung am Emitter führt zu einem konstanten Strom durch einen nachgeschalteten Emitterwiderstand. Die Zener-Diode und der Emitterwiderstand sind zusammen mit dem Ausgang des Konstantstromgenerators verbunden.
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Während der Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors und durch den Emitterwiderstand von dieser relativ einfachen Schaltung konstant gehalten wird, ist der Strom am Ausgang des Konstantstromgenerators jedoch nur näherungsweise konstant, da zu dem Strom über den Emitterwiderstand noch der Strom über den Hilfswiderstand und die Zener-Diode hinzukommt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen in einem sehr weiten Bereich der Netzspannung arbeitenden Annäherungsschalter der eingangs genannten Art unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen zu schaffen, der auch im geöffneten Zustand eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Anschluß der Regelschaltung über den elektronischen Schalter wird die Regelschaltung nur dann aktiviert, wenn der Meßwertgeber ein Ausgangssignal abgibt, um den Thyristor zu sperren. Im Normalfall erfolgt die Versorgung des Meßwertgebers über den vom parallel zur Regelschaltung liegenden Stromsteuerelement und dem spannungsabhängigen Sperrglied gebildeten Hauptstromweg. Nur wenn der Annäherungsschalter geöffnet ist, wobei der Meßwertgeber ein Ausgangssignal an den elektronischen Schalter abgibt, wodurch der Thyristor gesperrt bleibt und es zu einem Anstieg der Spannung auf dem Maximalwert der anliegenden Netzwechselspannung kommt, wird die Regelschaltung aktiviert und die Steuerung des Versorgungsstroms für den Meßwertgeber erfolgt mittels der Regelschaltung und der parallel dazu liegenden Reihenschaltung von Stromsteuerelement und Widerstand. Hierbei wird der Versorgungsstrom für den Meßwertgeber konstant gehalten, da der Strom über die Regelschaltung mit wachsender Spannung steigt, während gleichzeitig der über das Stromsteuerelement fließende Strom abnimmt. Hierbei läßt sich in der Regelschaltung ein verlustarmer Strombegrenzungswiderstand mit hohem ohmschen Widerstand vorsehen, der bei hohen Spannungen den Strom im gewünschten Bereich hält und an dem nur geringe thermische Verluste auftreten, da bei kleinen Spannungen der Hauptanteil des Versorgungsstroms über das parallel liegende Stromsteuerelement fließt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 ein Schaltschema eines Annäherungsschalters und
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Fig. 2 den Stromverlauf am Ausgang der Stromquelle des Annäherungsschalters nach Fig. 1 in Abhängigkeit vom Wert der Netzspannung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung umfaßt eine aus den Dioden 3 bis 6 aufgebaute Gleichrichterbrücke, die mit ihren Wechselstromanschlüssen über ein Lastkreis U mittels Anschlüssen 1 und 2 an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Parallel zu den Gleichstromanschlüssen 7 und 8 der Gleichrichterbrücke ist ein Thyristor 9 mit einer Anode 10 und einer Kathode 11 angeschlossen, dessen Steuerelektrode 12 über einen Anschluß 15 mit einem elektronischen Schalter A verbunden ist.
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Eine Stromversorgungsschaltung B ist an den positiven Gleichstromausgang 7 und indirekt über den elektronischen Schalter A an den negativen Gleichstromausgang 8 angelegt. Ein Ausgang F der Stromversorgungsschaltung B ist mit einem ersten Versorgungseingang 30 des Meßwertgebers D verbunden, der über einen zweiten Versorgungseingang 24 an den negativen Gleichstromausgang 8 angeschlossen ist. Ein Ausgang 14 des Meßwertgebers D ist mit dem Steuereingang des Schalters A verbunden.
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Gibt der Meßwertgeber D bei Annäherung eines Gegenstandes ein elektrisches Signal an den Schalter A ab, wird ein NPN-Transistor 35 des Schalters A in seinen leitenden Zustand versetzt. Dies hat zur Folge, daß der Thyristor 9 mittels seiner über eine Diode 36 mit dem Transistor 35 verbundenen Steuereingang 12 blockiert ist; eine Zündung des Thyristors 9 findet demnach nicht statt und der Lastkreis U ist von der einen Phase des Wechselstromnetzes getrennt. Durch den in seinen leitenden Zustand versetzten NPN-Transistor 35 wird andererseits die Stromversorgungsschaltung B aktiviert, da sie über die Kollektor-Emitter- Strecke des leitenden Transistors 35 mit dem negativen Gleichstromausgang 8 verbunden wird.
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Die Stromversorgungsschaltung B umfaßt zwei Widerstände 16 und 17, die mit einer Zenerdiode 18 in Reihe liegen. Diese Schaltungselemente liegen zwischen den Gleichstromausgängen 7 und 8und werden mit der gleichgerichteten und nicht gefilterten Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke versorgt.
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Weiterhin umfaßt die Stromversorgungsschaltung B ein Stromsteuerelement 19, einen Widerstand 23 und einen Speicherkondensator 25, die zwischen die Gleichstromausgänge 7 und 8 in Reihe geschaltet sind.
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Als Stromregelelement ist ein PNP-Transistor 26 im Nebenschluß zwischen dem den Widerständen 16 und 17 gemeinsamen Punkt E und dem Widerstand 23 und dem Kondensator 25 gemeinsamen Punkt F geschaltet, der einen Ausgang einer aus den Widerständen 16, 17 , der Zener-Diode 18 und dem Transistor 26 gebildeten Regelschaltung 16, 17, 18, 26 bildet.
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Ein Steuereingang 21 des Stromsteuerelements 19 ist mit dem gemeinsamen Punkt E der Widerstände 16 und 17 verbunden, an welchem auch der Emitter 23 des PNP-Transistors 26 angeschlossen ist. Daraus ergibt sich, daß das Stromsteuerelement 19 von einem Strom angesteuert ist, der sich aus der Differenz zwischen dem Strom ergibt, der durch den Widerstand 16 fließt, und dem Strom, der vom PNP-Transistor 26 abgeleitet ist, der seinerseits durch die Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes 17 gesteuert ist, der zwischen seinem Emitter 27 und seiner Basis 28 angeschlossen ist.
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Je höher nun die Netzspannung ist, desto niedriger ist die Impedanz 2 des PNP-Transistors 26 und umso schwächer ist der Strom, der sich aus der Ansteuerung des Stromsteuerelements 19 ergibt, welches aus diesem Grunde eine erhöhte Impedanz aufweist. Aus der komplementären Charakteristik dieser beiden Impedanzen folgt, daß die Summe des durch das Stromsteuerelement 19 und den PNP-Transistor 26 an den Ausgang F abgegebene Strom, mit welchem der Meßwertgeber D versorgt wird, konstant ist und die thermische Verlustleistung innerhalb der Stromversorgungsschaltung B niedrig gehalten wird.
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Bei weiter anwachsender Netzspannung zeigt der das Stromsteuerelement 19 durchfließende Strom die Tendenz, in zunehmendem Maße kleiner zu werden. Er wird schließlich gleich Null, wenn der PNP-Transistor 26 von der steigenden Netzspannung in den Sättigungszustand gefahren wird. In diesem Fall wird der Meßwertgeber D praktisch nur noch über den Widerstand 16 und über die Basis-Kollektor-Strecke des PNP- Transistors 26 versorgt. Oberhalb dieser Netzspannungsschwelle arbeitet die Stromversorgungsschaltung B nicht mehr in ihrem Konstantstrombereich und es findet ein lineares Anwachsen des Versorgungsstroms für den Meßwertgeber D statt, der dann jedoch durch den Widerstand 16 begrenzt ist.
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Fig. 2 zeigt diese Arbeitsweise. Zwischen einer unteren Schwelle für die Netzspannung V, z. B. 20 Volt und einer Schwelle von 160 Volt wird der den Meßwertgeber D durchfließende Strom i auf den Wert I stabilisiert. Oberhalb der 160 Volt- Schwelle und bis zu einem zulässigen Maximum, beispielsweise 240 Volt, wächst der Strom i dann linear an, jedoch mit einer Steigung, die gewährleistet, daß die Wärmeverlustleistung der Stromversorgungsschaltung B eine vorbestimmte Größe nicht überschreiten kann.
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Das Stromsteuerelement 19 kann prinzipiell von einem Hochspannungstransistor gebildet sein, es ist in der Praxis jedoch vorteilhaft, einen als Transistor arbeitenden Thyristor 19 mit Anschlüssen 20 bis 22 zu verwenden. Hierzu wird der Thyristor 19 mit einem Anodenstrom betrieben, der kleiner ist als der Haltestrom, der sich als Funktion des aus der Steuereingang 21 herausfließenden Stroms ergibt. Durch die Verwendung dieses unterhalb seines Haltestroms arbeitenden Thyristors 19 besitzt die Stromversorgungsschaltung B eine große Zuverlässigkeit, da jede Netzüberspannung den Thyristor 19 sofort leitend macht, ohne daß sich daraus eine Verschlechterung seiner anderen Parameter ergeben würde. Außerdem wird ein kräftiger Rufstrom beim Unterspannungsetzen der Stromversorgungsschaltung B sichergestellt.
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Liegt keine Ausgangssignal vom Meßwertgeber D am Schalter A an, so ist die Stromversorgungsschaltung B vom negativen Gleichstromausgang 8 getrennt und als Stromversorgungsschaltung außer Funktion gesetzt. In diesem Fall übernimmt ein Hilfsversorgungskreis C die Funktion der Stromquelle.
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Dieser Hilfsversorgungskreis C umfaßt eine Diode 32, deren Kathode mit dem Ausgang F der Stromversorgungsschaltung B verbunden ist, eine Zenerdiode 31 als spannungsabhängiges Sperrglied, deren Anode mit der Anode der Diode 32 verbunden ist, und deren Kathode mit der Kathode des Stromsteuerelements 19 zusammengeschaltet ist, sowie eine weitere Zenerdiode 33 als Sperrglied, deren Kathode mit dem der Diode 32 und der Zenerdiode 31 gemeinsamen Punkt verbunden ist und deren Anode über den Anschluß 15 am Steuereingang 12 des Thyristors 9 liegt. Ein Widerstand 34 verbindet den Anschluß 15 mit dem negativen Gleichstromausgang 8.
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Bei anliegender Netzspannung und fehlendem Ausgangssignal vom Meßwertgeber D zündet der den Widerstand 16, den Weg von der Steuerelektrode 21 zur Kathode 22 des Thyristors 19 und den Widerstand 23 durchfließende Strom den Thyristor 19 und gibt dessen Hauptstromweg frei, was ein schnelles Aufladen des Speicherkondensators 25 zur Folge hat bis auf einen solchen Wert, daß die Spannung am Verbindungspunkt zwischen der Diode 32 und der Zenerdiode 33 die Schwellspannung der Zenerdiode 33 überschreitet.
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Als Folge davon liefert die Zenerdiode 33 einen Strom an den Steuereingang 12 des parallel zu der Gleichrichterbrücke geschalteten, zwischen den Gleichstromausgängen 7 und 8 liegenden Thyristors 9 und den zugehörigen Widerstand 34. Der Thyristor 9 wird gezündet und beim Nulldurchgang des zwischen den Gleichstromanschlüssen 7 und 8 vorhandenen Stroms gelöscht, ohne die in Reihe mit dem Thyristor 9 geschaltete Löschdiode 13 in Anspruch zu nehmen.
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Aufgrund der abfallenden Gleichspannung zwischen den Gleichstromausgängen 7 und 8 fällt der Strom durch die Zenerdiode 33 so weit ab, daß der Thyristor 9 wieder blockiert wird und der als Stromsteuerelement dienende Thyristor 19 beim erneuten Anstieg der 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, wieder gezündet wird, wodurch ein zyklisches Arbeiten des Thyristors 9 sichergestellt ist. Die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 25 übersteigt dabei nie die Differenz der Spannungsabfälle an den Anschlüssen der Dioden 33 und 32.
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Der Wert des Widerstands 34 wird so klein gewählt, daß die mittlere Ladespannung des Kondensators 25 und somit die Versorgungsspannung für den Meßwertgeber D bei Ausbleiben seines Ausgangssignals auf einen Wert stabilisiert ist, welcher der Differenz der Spannungsabfälle in den Dioden 33 und 32 entspricht, wobei eine Welligkeit in der Größenordnung von einigen Volt auftritt.
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Auch bei dieser Betriebsart des Annäherungsschalters ist eine niedrige Wärmeverlustleistung sichergestellt, da die Zündungsverzögerung für den Thyristor 9 mit steigender Netzspannung steigt.