DE2808156C2 - Elektronisches, berührungslos wirkendes, zweipoliges Schaltgerät - Google Patents

Description

Üblicherweise sind für 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 V zulassen, und zum anderen dabei hohe Welligkeiten ausreichend ausregeln.

Während bei Schaltgeräten mit höherer Polzahl als zwei, die mit separater Leitung zugeführte Versorgungsspannung in ihren Extremwerten sich praktisch nicht mehr als mit Faktor 10 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 100 unterschieden sein. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an eine interne Betriebsspannungsversorgung des vorgenannten Schaltgerätes.

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 Stetigregiern eine ausreichende Differenzspannung zwischen der internen, stabilisierten Betriebsspannung und der am SebaUgerät anliegenden Restspannung dadurch gebildet, daß die Restspannungshöhe z, B, 5 V bis 10 V erreicht,
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 Betrif bsspan nung 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

ΐϊ unbrauchbar werden.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen insbesondere bei mit Wechselspannung betriebenen zweipoligen Schaltgeräten, im Leitendzustand durch Phasenanschnitte der Netzspannungshalbwellen bis z. B. 90 Grad, bei 24 V ~ eine ausreichende Versorgung der Schaltung sicher gestellt wird, mit resultierender, effektiver Resispannung z. B. bis 7 V.

In einem anderen Verfahren wird im Leitendzustand des Schaltgerätes vom Schaltstrom eine Zenerstrecke passiert. Die abfallende Zenerspannung wird zusammen mit dem Spannungsabfall an der Schaltstufe zur Versorgung der Schaltung benutzt. Die resultierende, effektive Restspannung am Schaltgerät überschreitet 5 V.

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.

Die damit verbundene Absenkung der Restspannung des 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 rwben der erhöhten Betriebsspannung an der Last auch die erhebliche Steigerung des max. Schaltstromwertes bei einer Verlustleistung am Schalter im Leitendzustand wie bisher bekannt mit sich. Bei serieller Verknüpfung der Schaltgeräte wird das Schaltverhältnis der Betriebsspannung an der Last weniger vermindert.

Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben. Vorteile bestehen darin, daß Spannungen am Schaltgerät bis kleiner als 2 V zur Versorgung ausreichen, obwohl die interne Betriebsspannung des Schaltgerätes z. B. 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. 100% aufweisen darf,

daß somit Allstrombetrieb bei Vorschaltung einer Graetzbrückt: grundsätzlich ermöglicht wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und Darstellungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau eines elektronischen, berührungslos wirkenden zweipoligen Schaltgerätes,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Versorgungseinrichtung des obengenannten Schaltgerätes als

Serienstetigregler,

F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Sperrwandlers,

Fig,4 den prinzipiellen Aufbau einer Versorgungseinrichtung des obengenannten Schaltgerätes, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Bekannte elektronische, berührungslos wirkende, zweipolige Schaltgeräte z, B, als Näherungsschalter 1, mit den Polen 2 und 3, haben einen prinzipiellen Aufbau nach F i g. 1. 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

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.

Während des Sperrzustandes der Schaltstufe 4 nimmt das Schaltgerät 1 einen geringen Sperrstrom bis zu einigen niA 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 F i g. 2.

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, so daß 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 F i g. 1 entspricht

Die Ansteuerung des Stellgliedes 10 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 F i g. 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.

Es sind zwei Verfahren zur Erhaltung der Betriebsfähigkeit eines Schaltgerätes während seines Leitendzu-Standes bekannt, bei denen jeweils die Restspannung an den Polen 2 und 3 am Schalter 1 angemessen angehoben wird, z. B. auf Werte von wenigstens 5—10 V, wobei die zum stabilisierenden Betrieb der Versorgungseinrichtung 5 in Fig. I erforderlichen Differenzspannung von wenigstens 1—2 V am Stellglied 10 in Fig. 2 möglich wird.

Ein Verfahren nach DE-AS 23 30 233 betrifft die Reihenschaltung der Schaltstufe 4 mit Mitteln zur Erzeugung konstanten Spannungsabfall relativ unabhängig von der Gvöße des Laststroms innerhalb des Schaltgerätes I₁ insbesondere einer Zenerstrecke.

Das andere Verfahret· .(ach DE-AS 24 35 501 betrifft den Betrieb des Schaltgerätes J 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, so daß die gerade effektive notwendige Restspannungsanhebung zustande kommt.

ίο Im wesentlichen aus zwei Gründen ist die verbleibende höhere Restspannung am Schaltgerät 1 im Leitendfall der Schaltstufe 4 von Nachteil:

1. wegen der Verlustleistung im Schaltgerät 1 sind is höhere Schaltströme z. B. über 500 mA kaum zu realisieren,

2. die Reihenschaltung von Schaltgeräte nach der Art von 1 rufen eine Summenrestspannung hervor, die vor allem bei kleineren Netzspannungen wie z. B.

24 V oder 48 V zur Unterschreitung der minimalen zulässigen Betriebsspannung d.</ entsprechenden Lasten führt, so daß im Leitendzu nand aiier in Reihe geschalteten Schaltgeräte die Last, z. B. ein Schütz, nicht aktiviert werden kann. Bei Netzspannungen von 24 V und weniger, kann ein unzulässiger Unterspannungsbetrieb der Last schon beim Einsatz von nur einem Schaltgerät erfolgen.

Der erfindungsgemäße Schaltkreis 5 nach F i g. 4

jo kann dagegen eine stabile Versorgung der Signaleinrichtung 6 nach F i g. 1 auch dann gewährleisten, wenn die leitendgeschaltete Schaltstufe nach F i g. 1 vorteilhafterweise einen Restspannungswert in der Größenordnung des Sättigungswertes eines elektronischen Schalters, z. B. eines Transistors oder Thyristors von 1 bis 2 V aufweist.

Der Erfindungsgedanke baut auf dem zusätzlichen Einsatz eines Schaltreglers, insbesondere eines geregelten Gleichspannungswandlers in der Versorgun^sein-

richtung 5 nach F i g. 1 auf, so daß grundsätzlich in an sich bekannter Weise eine Spannungsaufwärtstransformation einer kleinen Restspannung an der Schaltstufe 4 m eine größere stabile Versorgungsspannung auf der Spannungszuleitung 7 für die Signaleinrichtung 6 zustande kommen kann.

In Fig.3 ist die Grundschaltung eines Gleichspannungswandlers dargestellt, insbesondere eines für kleine Übertragungsleistungen geeigneten, unaufwendigen Sperrwandler.

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 Diodp. 13 zur Ladung von Ladekondensator 20 und /ur Speisung einer Last 21 wieder abgibt.

Im Zeitraum der Leitphase von Transistor 17 sperrt die Diode 19, sodaß die Speisung der Las! 21 durch die Entladung von l-adekondensator 20 geschieht. Beim Sperrwandler ist gegenüber anderen bekannten Wandlerprinzipien besonders wenig Aufwand erforderlich, insbesonders reicht eine induktivität 18 zur Energiespeicherung und Spannungstransformation aus.

Der Erfindungsgedanke besteht darin, den Aufwund für einen in an sich bekannter Weise arbeitenden

h5 Schaltregler in der Versorgungseinrichtung 5 nach F i g. 1 zur Versorgung der Signaleinrichtung 6 aus den extremen Spannungsunterschieden der Schaltstufe 4 in beiden Schaltzuständen durch den Einsatz der erfin-

dungsgemäßen Versorgungseinrichtung 5 nach Fig.4 dadurch deutlich zu vermindern, daß die erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung 5 im Sperrzustand der Schaltstufe 4 nach Fig. I nach dem Prinzip des Seriensieligreglers 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 Arbeiisprinzipien miteinander ohne weiteres erfolgen kann, je nach Schaltzustand der Schaltstufe 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 Itnmmt

In dem erfindungsgemäßen Versorgungskreis 5 nach (■'i g. 4 ist ein an sich bekannter einfacher Scrienstetigregler enthalten, mit dem Stellglied 30 und der von einem /?C-Parallelglied 28, 27 gespeisten Zenerstrecke 29 als Referenzspannungsquelle, sowie dem Ladekondensator 34 und dem Schutzvorwiderstand 24.

Außerdem sind in dem Versorgungskreis die Mittel eines .Schaltreglers enthalten, mit dem Schalttransistor 31. der Induktivität 25 zur Energiespeicherung und Spannungstransformation, der Entladimgsschutzdiode 32 für den Ladekondensator 34. mit der Steuerelektronik 33 und der Istspannungszuleitung 36 und der Referenzspannungsquelle 35, sowie dem Abblockkondensator 26.

Die Ausgangsleitung 7 führt die stabilisierte Versorgungsspannung, die in allen Betriebsspannungsabfällen an den Eingangsleitungen 8 und 9 des Versorgiingskreises 5 von der Zenerspannung an der Diodenstrecke 29 bestimmt wird.

In den Fällen, bei denen die Betriebsspannung an 8 und 9 ausreicht, um am Stellglied 30 zur Stetigregelung genügend Differenzspannung zur Spannung am Aus gang 7 hervorzurufen, insbesondere im Sperrfall der Schaltstufe eines zweipoligen Schaltgerätes gemäß Fig. I findet allein eine Seriensteligregelung der Ausgangsspannungsleitung auf 7 statt. Die Mittel des Schaltreglers erfüllen jetzt keine wesentliche Funktioneu. Die Sieuereleklronik 33 sperrt den Schalttransistor wegen ausreichender Istspannung auf Zuleitung 36.

Die Spannungsabfälle am ohmischen Widerstand der Induktivität 25 und der Diode 32 sind für diesen Betrieb unerheblich. Das RC-Parallelglied 28, 27 kann ohne weiteres zur ausreichenden statischen und dynamischen Einspeisung der ZenerMrecke 29 und der Basisstrecke des .Stelltransistors W so dimensioniert werden, daß auch kleine Netznennspannungen z. B. 24 V und Spannungswelligkeiten his 100% an den Eingangslci-Hingen 8 und 9 zulässig sind.

Am Verbraucher der Ausgangsspannung auf Ausgangslcitung 7. insbesondere einer Signaleinrichtung 6 gemäß einem Schaltgerät nach Fig. I. steht eine ctahilmprlp ^nunmintr /tir Vprfiiaiinu rtip flor /pnnr.

spannung an 29 entspricht, mit der Minderung um die relativ konstanten .Spannungsabfällen an der Basis-Emitter-Strecke des Stclltransistors 30 und der Diodenstrecke 32.

In den Fällen, bei denen die Betriebsspannung an 8 und 9 nicht ausreicht, um am Stellglied 30 zur .Stetigregelung genügend Differenzspanniing zur Spannung am Ausgang 7 hervorzurufen, insbesondere im Leitenden der Schaltstufc eines zweipoligen Schaltgerätes gemäß Fig. I. findet allein eine Schaltregelung der Ausgangsspannung auf Leitung 7 statt. Die .Steuerelektronik erkennt eine bestimmte Istspannungsserringerung im Vergleich zur Referenzspannungsquelle 35 und veranlaßt Schalttransistor 31 zu einem entsprechendem Schalteinsatz für den .Schaltreglerbetrieb.

Die Mittel des Serienstctigreglers erfüllen weiterhin wesentliche Funktionen, wie z. B. die Nutzune der Verlustleistungsfähigkeit und Sperrleisuingsfähigkeit des jetzt durch den Schalttransistor 31 in Basisschaltung betriebenen Serientransistor 30 und der Referenzspannung an der Zenerstrecke 29. die ebenso wie die Basis von Transistor 30 aus der Speicherenergie der Induktivität 25 versorgt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunecn

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektronisches, berührungslos wirkendes, zweipoliges Schaltgerät, das in Reihe mit einer Last und einer Netzspannungsquelle zu schalten ist, mit einer Signaleinrichtung zur Erfassung einer Materialposition und Umsetzung in ein Schaltsignal, einer Schaltstufe, die die beiden Pole des Schaltgerätes entweder niederohmig verbindet oder hochohmig trennt, und mit einer Versorgungseinrichtung, die die Spannung zwischen den beiden Polen des Schaltgerätes aufnimmt und abhängig vom Schaltzustand der Schaltstufe die Signaleinrichtung mit stabiler Betriebsspannung versorgt, gekennzeichnet durch eine Versorgungseinrichtung (5), die vom Stetigreglerbetrieb bei Spannungsverminderung von der Eingangsspannung am Eingang (8, 9) zur Ausgangsspannung am Ausgang (7, 9) automatisch übergeht in den Schaltreglerbetrieb bei Spannungserhöhung von der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung und umgekehrt, mit folgenden Merkmaien:

   a) der Schaltreglerbetrieb ist mit einem Sperrwandlerbetrieb kombiniert,

   b) die Auf- und Entladung der Induktivität (25) des Schaltreglers erfolgt über einen Serienstetigregler, der ein Stellglied (Transistor 30) und eine Rcferenzspannungsquelle (Zenerstrecke 29) aufweist,

   c) ein Schalttransistor (31) auf der Ausgangsseite der Versorgungseinrichtung (5) schaltet den Emitter eines das Stellglied des Serienstetigreglers bildenden Transistors (30) periodisch auf Bezugspotential,

   d) die Induktivität (25) eines Sperrwandlers ist dem Serienstetigregler seriell vorgeschaltet und

   e) die Schaltfrequenz, das Schaltverhältnis oder die Schaltamplitude des Schalttransistors (31) wird zur Regelung der Ausgangsspannung (7,9) der Versorgungseinrichtung (5) beeinflußt.