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Elektronisches, berührungslos wirkendes
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zweipoliges Schalt gerät Üblicherweise sind fur die interne Betriebsspannungsversorgung
der Signaleinrichtung von elektronischen zweipoligen Näherungsschaltern Stetigreglernetzteile
in Anwendung, die einerseits den Anschluß an eine größere Netzspannungsbandbreite
über mehrere genormte Nennspannungswerte, z.B. von 24 V bis 220 V zulassen, und
zum anderen dabei hohe Welligkeiten ausreichend ausregeln.
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Während bei Schaltgeräten mit höherer Polzahl als zwei, die mit separater
Leitung zugeführte Versorgungsspannung in ihren Extremwerten sich praktisch nicht
mehr als mit Faktor 1o unterscheidet, kann bei zweipoligen Schaltgeräten im Sinne
eines vorteilhaften, hohen Schaltverhältnisses, gekennzeichnet durch möglichst geringe
Restspannung am Schaltgerät in seinem Leitendzustand und möglichst hohe Netzspannung
am Schaltgerät in seinem Sperrzustand, die Polspannung bis über Faktor loo unterschieden
sein. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an eine interne Betriebsspannungsversorgung
des vorgenannten Schaltgerätes.
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Während im Sperrzustand des zweipoligen Schaltgerätes bereits minimale
Stromaufnahmen realisiert werden, z.B. um 1 mA, wird im Leitendzustand bei den bisher
bekannten Verfahren mit Stetigreglern eine ausreichende Differenzspannung zwischen
der internen, stabilisierten Betriebs spannung und der am Schaltgerät anliegenden
Restspannung dadurch gebildet, daß die Restspannungshöhe z.B. 5 V bis 10 V erreicht.
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Derartige hohe Restspannungen machen sich bei zweipoligen Schaltgeräten,
die in Reihe mit einer Last und der Netzspannungsquelle geschaltet sind, vor allem
bei niedrigen Versorgungsnennspannungen, von z.B. 12 V oder 24 V, durch Reduzierung
der Betriebsspannung an der Last sehr störend bemerkbar. Außerdem sind die zulässigen
Schaltströme wegen der entstehenden Verlustleistung am Schaltgerät enger begrenzt.
Bei serieller Verknüpfung der Schaltgeräte kann das Schaltverhältnis der Betriebsspannung
an der Last unbrauchbar werden.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen insbesondere bei mit Wechselspannung
betriebenen zweipoligen Sshaltgeräten, im Leitendzustand durch Phasenanschnitte
der Netzspannungshalbwellen bis z.B. 9o Grad, bei 24 V eine ausreichende Versorgung
der Schaltung sicher gestellt wird, mit resultierender, effektiver Restspannung
z0B. bis 7 V.
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In einem anderen Verfahren wird im Leitendzustand des Schaltgerätes
vom Schaltstrom eine Zenerstrecke passiert.
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Die abfallende Zenerspannung wird zusammen mit dem Spannungsabfall
an der Schalt stufe zur Versorgung der Schaltung benutzt. Die resultierende, effektive
Restspannung am Schaltgerät überschreitet 5 V.
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Aufgabe der Erfindung ist es für ein zweipoliges Schaltgerät der vorgenannten
Art eine Versorgungseinrichtung anzugeben, die auch bei einem extrem hohem Spannungsverhältnis
am Gerät von z.B. mehr als 240 V bis z.B. weniger als 2 V die Signaleinrichtung
mit stabiler Betriebsspannung speist.
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Die damit verbundene Absenkung der Restspannungdes Schaltgerätes von
Werten von 5 V oder mehr, bis etwa auf 2 V und weniger, eines Wertes in der Größenordnung
der üblichen Sättigungsspannung eines elektronischen Schalters, bringt neben der
erhöhten Betriebsspannung an der Last auch die erhebliche Steigerung des max.
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Schaltstromwertes bei einer Verlustleistung am Schalter im Leitendzustand
wie bisher bekannt mit sich.
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Bei serieller Verknüpfung der Schaltgeräte wird das Schaltverhältnis
der Betriebs spannung an der Last weniger vermindert.
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Die Lösung der Aufgaben ist dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtung
des Schaltgerätes vom Stetigreglerbetrieb bei Spannungsverminderung von der Eingangsspannung
an den Polen des Schaltgerätes zur Ausgangs spannung der Versorgungseinrichtung,
automatisch übergeht in den Schaltreglerbetrieb bei Spannungserhöhung von der Eingangsspannung
an den Polen des Schaltgerätes zur Ausgangsspannung der Versorgungseinrichtung und
umgekehrt, daß der Schaltreglerbetrieb mit einem Sperrwandlerbetrieb kombiniert
ist, daß die Auf- und Entladung der Induktivität eines Schaltreglers über die Mittel
eines Serienstetigreglers, nämlich sein Stellglied und seine Referenzspannungsquelle
erfolgt, daß ein Schalttransistor auf der Ausgangsseite der Versorgungseinrichtung
den Emitter des Stellglied-
Transistors des Serienstetigreglers
periodisch auf Bezugspotential schaltet, daß die Induktivität eines Sperrwandlers
den Mitteln eines Serienstetigregler seriell vorgeschaltet ist, daß die Schaltfrequenz,
das Schaltverhältnis, oder die Schaltamplitude eines Schalttransistors zur Regelung
der Ausgangsspannung der Versorgungseinrichtung beeinflußt wird.
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Vorteile bestehen darin, daß Spannungen am Schaltgerät bis kleiner
als 2 V zur Versorgung ausreichen, obwohl die interne Betriebsspannung des Schaltgerätes
z.B.
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5 V oder mehr beträgt, daß der höhere Strombedarf des Schaltreglers
mit dem Schaltstrom zeitlich zusammenfällt, daß der Sperrwandlerbetrieb geringe
induktive Mittel erfordert, daß der hochsperrende Stetigregler weitere hochsperrende
Schaltmittel für den Schaltregler entfallen läßt, daß die Gleichspannungs-Welligkeit
an den Polen des Schaltgerätes z.B. loo Vo aufweisen darf, daß somit Allstrombetrieb
bei Vorschaltung einer Graetzbrücke grundsätzlich ermöglicht wird.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und Darstellungen
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines elektronischen, berührungslos
wirkenden zweipoligen Schaltgerätes, Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Versorgungseinrichtung
des obengenannten Schaltgerätes als Serienstetigregler,
Fig. 3 den
prinzipiellen Aufbau eines Sperrwandlers, Fig.4 den prinzipiellen Aufbau einer Versorgungseinrichtung
des obengenannten Schaltgerätes, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Bekannte elektronischesberührungslos wirkende,zweipolige Schaltgeräte
z.B. als Näherungsschalter 1, mit den Polen 2 und 3, haben einen prinzipiellen Aufbau
nach Fig. 1.
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Parallel zur Schaltstufe 4, die den Laststrom eines Lastkreises führt,
in den in Reihe zur Last und der Netzspannung die Pole 2 und 3 eingeschleift sind,
ist die, die interne Betriebsspannung erzeugende Versorgungseinrichtung 5, in Reihe
mit der, die Betriebsspannung aufnehmende Signaleinrichtung 6, geschaltet.
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Bekanntlich ist die Signaleinrichtung 6 bei einem Näherungsschalter
1 so ausgebildet, daß eine bestimmte Annäherung eines Gegenstandes an die sensitive
Seite des Schalters 1 ein Schaltsignal in der Einrichtung 6 erzeugt, mit dem die
Schaltstufe 4 betätigt wird.
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Während des Sperrzustandes der Schalt stufe 4 nimmt das Schaltgerät
1 einen geringen Sperrstrom bis zu einigen mA über die Versorgungseinrichtung 5
auf, wobei außerdem eine relativ hohe Eingangsspannung an den Polen 2 und 3 zur
Verfügung steht, nämlich die lediglich um einen geringen Spannungsabfall an der
Last geringfügig geminderte Netzspannung. In diesem Schaltzustand gelingt die Versorgung
der Signaleinrichtung 6 leicht über einen einfachen Vorwiderstand oder über eine
Einrichtung 5, die nach dem Prinzip des Serienstetigreglers arbeitet, entsprechend
Fig. 2.
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Das Stellglied 10 wird z.B. über einen Differenzverstärker 11 so angesteuert,
daß die Spannung am Ausgang 7 mit dem Ladekondensator 13 gegenüber der Spannung
am Eingang 8, die der Spannung an den Polen 2 und 3 des Schalters 1 entspricht,
weitgehend stabil gehalten wird, sodaß das Stellglied 10 jeweils die Differenz der
stabilen Spannung an 7 und der Spannung an 8 übernimmt, wobei das Stellglied 10
einen Strom führt, der dem Strombedarf der Signaleinrichtung 6 nach Fig. 1 entspricht0
Die Ansteuerung des Stellgliedes 1o nach Fig. 2 basiert auf einem Spannungs-Vergleich
am Differenzverstärker 11 zwischen der Istspannung an 7 und der Sollspannung einer
Referenzspannungsquelle 12. Während des Leitendzustandes der Schaltstufe nach Fig.
1 wird die Eingangsspannung an den Polen 2 und 3 stark abgesenkt. Die Versorgungseinrichtung
5 ist bei bislang gekannten Schaltgeräten der genannten Art nicht imstande, etwa
aus der Sättigungsspannung eines elektronischen Schalters, wie z.B. eines Transistors
oder Thyristors in der Größenordnung von 1 - 2 V, die erforderliche Betriebsspannung
für die Signaleinrichtung 6 bereitzustellen.
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Es sind zwei Verfahren zur Erhaltung der Betriebsfähigkeit eines Schaltgerätes
während seines Leitendzustandes bekannt, bei denen jeweils die Restspannung an den
Polen 2 und 3 am Schalter 1 angemessen angehoben wird, z.B.
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auf Werte von wenigstens 5-10 V, wobei die zum stabilisierenden Betrieb
der Versorgungseinrichtung 5 in Fig. 1 erforderlichen Differenzspannung von wenigstens
1 - 2 V am Stellglied lo in Fig. 2 möglich wird.
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Ein Verfahren DTAS2330233 betrifft die Reihenschaltung der Schaltstufe
4 mit Mitteln zur Erzeugung konstanten Spannungsabfall relativ unabhängig von der
Größe des Laststroms innerhalb des Schaltgerätes 1, insbesondere einer Zenerstrecke.
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Das andere Verfahren DTAS2435501 betrifft den Betrieb des Schaltgerätes
1 an ungeglätteter brückengleichgerichteter Wechselspannung. Hierbei wird durch
eine besondere Wahl des Zeitpunktes des Leitendschaltens der Schaltstufe 4, insbesondere
eines Thyristors, nach dem periodisch auftretenden Unterschreiten seines Haltestroms,
ein bestimmter anschlußspannungsabhängiger Phasenanschnitt der Spannung an den Polen
2 und 3 erzeugt, sodaß die gerade effektive notwendige Restspannungsanhebung zustande
kommt0 Im wesentlichen aus zwei Gründen ist die verbleibende höhere Restspannung
am Schalt gerät 1 im Leitendfall der Schaltstufe 4 von Nachteil: 1. wegen der Verlustleistung
im Schaltgerät 1sind höhere Schalt ströme z.B. über 500 mA kaum zu realisieren,
20 die Reihenschaltung von Schaltgeräte nach der Art von 1 rufen eine Summenrestspannung
hervor, die vor allem bei kleineren Netzspannungen wie z.B.
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24 V oder 48 V zur Unterschreitung der minimalen zulässigen Betriebsspannung
der entsprechenden Lasten führt, sodaß im Leitendzustand aller in Reihe geschalteten
Schaltgeräte die Last, zoB. ein Schütz, nicht aktiviert werden kanne Bei Netz spannungen
von 24 V und weniger, kann ein unzulässiger Unterspannungsbetrieb der Last schon
beim Einsatz von nur einem Schaltgerät erfolgen.
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Der erfindungsgemäße Schaltkreis 5 nach Fig. 4 kann dagegen eine stabile
Versorgung der Signaleinrichtung 6 nach Fig. 1 auch dann gewährleisten, wenn die
leitendgeschaltete Schaltstufe nach Fig. 1 vorteilhafterweise einen Restspannungswert
in der Größenordnung des Sättigungswertes eines elektronischen Schalters
z.B.
eines Transistors oder Thyristors von 1 bis 2 V aufweist.
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Der Erfindungsgedanke baut auf dem zusätzlichen Einsatz eines Schaltreglers,
insbesondere eines geregelten Gleichspannungswandlers in der Versorgungseinrichtung
5 nach Fig. 1 auf, sodaß grundsätzlich in an sich bekannter Weise eine Spannungsaufwärtstransformation
einer kleinen Restspannung an der Schalt stufe 4 in eine größere stabile Versorgungsspannung
auf der Spannungszuleitung 7 für die Signaleinrichtung 6 zustande kommen kann.
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In Fig. 3 ist die Grundschaltung eines Gleichspannungswandlers dargestellt,
insbesondere eines für kleine Übertragungsleistungen geeigneteii, unaufwendigen
Sperrwandler.
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Der Schalttransistor 17 wird durch einen Taktgenerator angesteuert.
Während der Leitphase von Transistor 17 speichert der Trafo 18 magnetische Energie,
die er während der Sperrphase von Transistor 17 über die Diode 19 zur Ladung von
Ladekondensator 20 und zur Speisung einer Last 21 wieder abgibt.
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Im Zeitraum der Leitphase von Transistor 17 sperrt die Diode 19, sodaß
die Speisung der Last 21 durch die Entladung von Ladekondensator 20 geschieht. Beim
Sperrwandler ist gegenüber anderen bekannten Wandlerprinzipien besonders wenig Aufwand
erforderlich insbesondere reicht eine Induktivität 18 zur Energiespeicherung und
Spannungstransformation aus.
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Der Erfindungsgedanke besteht darin, den Aufwand für einen in an sich
bekannter Weise arbeitenden Schaltregler in der Versorgungseinrichtung 5 nach Fig.
1 zur Versorgung der Signaleinrichtung 6 aus den extremen Spannungsunterschieden
der Schaltstufe 4 in beiden Schaltzuständen durch
den Einsatz der
erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung 5 nach Fig. 4 dadurch deutlich zu vermindern,
daß die erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung 5 im Sperrzustand der Schalt stufe
4 nach Fig. 1 nach dem Prinzip des Serienstetigreglers und im Leitendzustand der
Schaltstufe 4 nach dem Prinzip des Schaltreglers arbeitet. Vorteilhafterweise werden
die Mittel für einen Serienstetigregler mit den Mitteln für einen Schaltregler bei
Verwendung eines Gleichspannungswandlers so verknüpft, daß ein automatischer Übergang
der beiden Arbeitsprinzipien miteinander ohne weiteres erfolgen kann, je nach Schaltzustand
der Schalt stufe 4 und daß eine Einsparung von Bauelementen im Bereich der Regleransteuerung
und eine Verminderung von Energieverbrauch auf der stabilisierten Spannungsseite
gegenüber der Verwendung allein des Schaltreglerprinzipes bei gleicher Stabilisierungsqualität
der Versorgungsspannung für die Signaleinrichtung 6 zustande kommt.
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In dem erfindungsgemäßen Versorgungskreis 5 nach Fig. 4 ist ein an
sich bekannter einfacher Serienstetigregler enthalten, mit dem Stellglied 30 und
der von einem RC-Parallelglied 28,27 gespeisten Zenerstrecke 29 als Referenzspannungsquelle,
sowie dem Ladekondensators 34 und dem Schutzvorwiderstand 24.
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Außerdem sind in dem Versorgungskreis die Mittel eines Schaltreglers
enthalten, mit dem Schalttransistor 31, der Induktivität 25 zur Energiespeicherung
und Spannungstransformation, der Entladungsschutzdiode 32 für den Ladekondensator
34, mit der Stuerelektronik 33 und der Istspannungszuleitung 36 und des Referenzspannungsquelle
35, sowie dem Abblockkondensator 26.
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Die Ausgangsleitung 7 führt die stabilisierte Versorgungsspannungg,
die in allen Betriebsspannungsabfällen an den Eingangsleitungen 8 und 9 des Versorgungskreises
5 von der Zenerspannung an der Diodenstrecke 29 bestimmt wird.
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In den Fällen, bei denen die Betriebsspannung an 8 und 9 ansreicht,
um am Stellglied 30 zur Stetigregelung genügend Differenzspannung zur Spannung am
Ausgang 7 hervorzurufen, insbesondere im Sperrfall der Schaltstufe eines zweipoligen
Schaltgerätes gemäß Fig. 1 findet allein eine Serienstetigregelung der Ausgangsspannungsleitung
auf 7 statt. Die Mittel des Schaltreglers erfüllen jetzt keine wesentliche Funktionen.
Die Steuerelektronik 33 sperrt den Schalttransistor wegen ausreichender Istspannung
auf Zuleitung 36o Die Spannungsabfälle am ohmischen Widerstand der Induktivität
25 und der Diode 32 sind für diesen Betrieb unerheblich.
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Das RC-Parallelglied 28,27 kann ohne weiteres zur ausreichenden statischen
und dynamischen Einspeisung der Zenerstrecke 29 und der Basisstrecke des Stelltransistors
3c so dimensioniert werden, daß auch kleine Netznennspannungen z.B. 24 V und Spannungswelligkeiten
bis' loo 0,0' an den Eingangsleitungen 8 und 9 zulässig sind.
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Am Verbraucher der Ausgangsspannung auf Ausgangsleitung 7, insbesondere
einer Signaleinrichtung 6 gemäß einem Schaltgerät nach Fig. 1, steht eine stabilisierte
Spannung zur Verfügung, die der Zenerspannung an 29 entspricht, mit der Minderung
um die relativ konstanten Spannungsabfällen an der Basis-Emitter-Strecke des Stelltransistors
3c und der Diodenstrecke 32.
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In den Fällen, bei denen die Betriebs spannung an 8 und 9 nicht ausreicht,
um am Stellglied 30 zur Stetigregelung genügend Differenzspannung zur Spannung am
Ausgang 7 hervorzurufen, insbesondere im Leitendfall der Schaltstufe eines zweipoligen
Schaltgerätes gemäß Fig. 1, findet allein eine Schaltregelung der Ausgangs spannung
auf Leitung 7 statt. Die Steuerelektronik erkennt eine bestimmte Istspannungsveringerung
im Vergleich zur Referenzspannungsquelle 35 und veranlaßt Schalttransistor 31 zu
einem entsprechendem Schalteinsatz für den Schaltreglerbetrieb.
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Die Mittel des Serienstetigreglers erfüllen weiterhin wesentliche
Funktionen, wie z0B0 die Nutzung der Verlustleistungsfähigkeit und Sperrleistungsfähigkeit
des jetzt durch den Schalttransistor 31 in Basisschaltung betriebenen Serientransistor
30 und der Referenz spannung an der Zenerstrecke 29s die ebenso wie die Basis von
Transistor 30 aus der Speicherenergie der Induktivität 25 versorgt wird0