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Lichtschranke
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtschranke mit einem Lichtsender
für die Erzeugung von Lichtitripulsen und einem photoelektrischen Lichtempfänger,
durch den ein Relais betätigbar ist.
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Derartige Lichtschranken sind bekannt (DT-OS 21 55 576). Für die Eraeugungder
Lichtimpulse werden bei den bekannten Lichtschranken Taktgeber verwendet, die Rechteckimpulsfolgen
mit vorgebbaren Frequenzen abgeben.-Den photoelektrischen Empfängern sind Verstärker
nachgeschaltet, an die weitere elektronische Bauteile, z.B. monostabile Kippstufen,
Torschaltungen und Speicher, angeschlossen sind. Die Taktgeber, Verstärker und anderen
elektronischen Bauelemente benötigen üblicherweise für ihren Betrieb Gleichspannungen.
Bei einer bekannten Infrarot-Lichtschranke beträgt die Betriebsgleichspannung 15
Volt (DT-AS 22 56 930).
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Dlese Gieicflspannungen werden aus der Netzwechselspannung mittels
Transformatoren und Gleichrichtern erzeugt. Im Vergleich zu den anderen elektrischen
bzw. elektronischen Bauteilen von Lichtschranken sind Transformatoren schwer und
sperrig.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Lichtschranke
der eingangs erläuterten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß Lichtsender, Lichtempfänger
und Relais ohne galvanische Trennung vom Wechselspannungsnetz betrieben werden können,
obwohl sie fiir die Arbeitsweise mit Spannungen bestimmt sind, die kleiner als die
Netzwechselspannung ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Lichtsender
eine Lichtquelle über einen Thyristor galvanisch an die Netzwechselspannungsquelle
angeschlossen ist, daß der Thyristor mit einer von der Netzwechselspannungsquelle
gespeisten Phasenverschiebungsschaltung verbunden ist, mit der die Zündung des Thyristors
in den zweiten Quadranten der Periode der Netzwechselspannung verschoben ist, daß
im Lichtempfänger das Relais in Reihe mit einem weiteren Thyristor ebenfalls galvanisch
an die Netzwechselspannungsquelle angeschlossen ist und daß die Steuerelektrode
des weiteren Thyristors an eine Schaltung zur Erzeugung einer Hysterese und den
Ausgang eines photoelektrischen Empfängers angeschlossen ist. Mit dieser Anordnung
läßt sich die Höhe der Relais Spannung zum Zündzeitpunkt des Thyristors so einstellen,
daß das Relais seine Nennspannung als Mittelwert erhält, der niedriger als die Netzspannung
ist.
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Der weitere Thyristor zündet, sofern der Empfänger Lichtimpulse erhält,
synchron mit dem ersten Thyristor. Die Nennspannung des Gleichstromrelais kann beispielsweise
24 V betragen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist in dem geringen schaltungstechnischen
Aufwand für die Erzeugung der Lichtimpulse und ihrer Verarbeitung im Empfänger zu
sehen. Die Hystereseschaltung sorgt dafür, daß bei den Übergängen zwischen Neuempfang
und Aussetzender Lichtsignale amEmpfänger kein mehrfaches Schalten der Relais entsteht.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform ist derart aufgebaut, daß die an
die Netzwechselspannungsquelle angeschlossene Phasenverschiebungsschaltung aus der
Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators mit paralleler Zenerdiode,
aus einem parallel dazu angeordneten Spannungsteiler mit zwei in Reihe geschalteten
Widerständen, aus zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und dem Kondensator
in Reihe angeordneten Dioden und aus der Reihenschaltung eines Widerstands und eines
weiteren Kondensators besteht, die parallel zum Widerstand des Spannunsteilers angeordnet
sind, und daß der weitere Kondensator zusätzlich an die Anode des Thyristors, der
erste Kondensator an die Steuerelektrode des Thyristors und die Kathode des Thyristors
an die gemeinsame Anschlußstelle der Dioden gelegt sind.
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Die Phasenverschiebungsschaltung verzögert einerseits die Spannung
an der Steuerelektrode des Thyristors gegeniiber der Netzwechselspannung und vermindert
andererseits die Amplitude
der Spannung an der Kathode des Thyristors.
Damit läßt sich auf einfache Weise eine Ziindung des Thyristors im zweiten Quadranten
der Periode der Netzwechselspannung erreichen. Die Zündung tritt dann ein, wenn
die phasenverschobene Spannung an der Steuerelektrode die Kathodenspannung übersteigt.
Die Zenerdiode ermöglicht in Verbindung mit den weiteren Teilen der Phasenverschiebungsschaltung
die Zündung im II. Quadranten und kompensiert Schwankungen der Netzwechselspannung.
Der Effektivwert der am Relais abfallenden Spannung ist somit innerhalb eines gewissen
Toleranzbereichs unabhängig von Änderungen der Netzspannungsamplitude. Die Kompensation
des Einflusses von Netzspannungsschwankungen wird mit sehr einfachen Mitteln erreicht.
Da die Zenerdiodenspannung den Zündzeitpunkt bestimmt, wirdfidie Zeit vom Beginn
der Zündung bis zum Nulldurchgang der Netzwechselspannung mit steigender Spannung
kürzer. Es tritt deshalb ein gewisse Überkompensation ein, die den am Relais herrschenden
Effektivwert der Spannung mit zunehmender Netzwechselspannung etwas zurückgehen
läßt. Dieser Rückgang ist für die im Wechselspannungsnetz zulässigen Spannungsschwankungen
von untergeordneter Bedeutung.
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Vorzugsweise ist in Reihe mit der Zenerdiode ein Widerstand angeordnet.
Mit lfilfe des Widerstands ist eine genauere Kompensation des Einflusses von Netzwechselspannungsänderungen
möglich. Der Widerstand kann einstellbar ausgebildet sein. Es ist dadurch möglich,
iiber die Einstellung des Zündzeitpunkts des ersten Thyristors einen gleichbleibenden
Effektivwert der Spannung am Relais zu erhalten.
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Vorzugsweise ist die Lichtquelle eine Lumineszenzdiode, die in Reihe
mit einer Induktivität gelegt ist, die zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers
der Phasenverschiebungsschaltung und der Kathode des Thyristors angeordnet ist.
Der Lichtsender wird bei dieser Anordnung mit Strom betrieben. An der Lumineszenzdiode
stellt sich eine Spannung vorn etwa 2 Volt ein. Beim Zündseitpunktvbeträgt die Netzspannungsamplitude
in etwa 100 Volt.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß
die Hystereseschaltung aus der Reihenschaltung zweier Widerstände und einem parallel
zu einem der Widerstände angeordneten Kondensator besteht. Eine Hysterese des Lichtempfängers
läßt sich somit mit einer sehr einfachen Schaltung erreichen. Durch die Hysterese
werden störende Mehrfachschaltungen des Relais vermieden.
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Bei einer anderen günstigen Ausführungsform ist in Serie mit der Spule
des Relais die Parallelschaltung einer Leuchtdiode und einer Zenerdiode angordnet.
Die Leuchtdiode wird vom -Spulenstrom des Relais durchflossen. Daher ist es auf
einfache Weise unter Einsparung eines Relaiskontakts möglich, die Betätigung des
Relais anzuzeigen. Mittels der Zenerdiode wird sichergestellt, daß auch bei Unterbrechung
der Leuchtdiode die einwandfreie Arbeitsweise des Relais nicht beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an fland eines in einer Zeichnung
dargestellten Ausfiihrungsbeispiels näher erlälltert, aus
dem sich
weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild der Anordnung der elektrischen Bauteile
einer Lichtschranke fiir die Erzeugung und den Empfang von Lichtimpulsen, Fig. 2
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Spannungen an einigen der in Fig. 1 dargestellten
Bauteile.
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Eine Lichtschranke, die aus einem Lichtsender 2 und einem Lichtempfänger
3 besteht, enthält im Lichtsender 2 eine Lumineszenzdiode lA, die in Reihe mit einer
Induktivität 5, einem Thyristor 6 und einem Widerstand 7 angeordnet ist. Die Lumineszenzdiode
4 ist mit dem Abzweig eines aus Widerständen 8,9 bestehenden Spannungsteilers verbunden,
der über einen Widerstand 11 und eines Gleichrichters 12 an zwei Anschlüsse 13,14
für die Netzwechselspannung gelegt ist. Parallel zum Widerstand 8 liegt die Reihenschaltung
eines Kondensators 16 und des Widerstands 7. Der Spannungsteiler und diese Reihenschaltung
gehören zu einer später noch eingehend erläuterten Phasenverschiebungsschaltung
17. Zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und der Kathode des Thyristors 6 ist
eine Diode 15 angeordnet. Der Kondensator 16 verbindet den Abgriff des Spannungsteilers,
d.h. den Verbindungspunkt der Widerstände 8,9 mit der Anode des Thyristors 6. Aufgrund
des Gleichrichters 12 findet eine Einweggleichrichtung der Netzwechselspannung statt.
Die Kathode des Gleichrichters 12 ist an die Widerstände 7 und 8 angeschlossen.
Der Widerstand 9 des Spannungsteilers 17 steht mit dem Anschluß 1 in Verbindung.
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Der Gleichrichter 12 speist neben dem Spannungsteiler noch weitere
Elemente der Phasenverschiebungsschaltung 17, nämlich einen Widerstand 18, der in
Reihe mit einem Kondensator 19 angeordnet ist, dessen zweiter Anschluß an den Eingangsanschluß
14gelegt ist. Der erste Anschluß des Kondensators 19 ist an die Steuerelektrode
des Thyristors 6 gelegt. Zwischen der Steuerelektrode des Thyristors Er und dessen
Kathode sind noch ein Widerstand 34 und eine Diode 33 in Parallelschaltung angeordnet.
Zwischen die Kathode des Gleichrichters 12 und den Anschluß 14 ist ferner ein Kondensator
21 zur Dämpfung von Störspitzen gelegt.
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Im Lichtempfänger 3 ist mit der Kathode des Gleichrichters i2 iiber
einen Widerstand 22 die Spule 23 eines Relais verbunden.
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Lichtempfänger 3 und Lichtsender 2 haben daher dieselbe Netzversorgung.
In Reihe mit der Spule 23 ist eine Leuchtdiode 24 und ein Thyristor 25 angeordnet,
dessen Kathode an den Anschluß 14 gelegtist,,Die Steuerelektrode des Thyristors
25 ist einerseits an eine Schaltung 26 zur Erzeugung einer Iiysterese und andererseits
iiber einen Kondensator 27 mit dem Emitter eines Phototransistors 28 verbunden.
Der Emitter des Phototransistors 28 ist weiterhin uber einen Widerstand 29 an den
Anschluß 14 angeschlossen. Zwischen dem Kollektor des Phptotransitors 28 und der
Kathode des Gleichrichters 12 ist ein Widerstand 30angeordnet. Die Basis des Phototransistors
28 steht iiber einen Widerstand mit einem Abgriff einer Spannungsteilerschaltung
in Verbindung, deren Widerstände jeweils an den Widerstand 30 bzw. den Anschluß
14 gelegt sind.
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Die Schaltung 26 zur Erzeugung einer IIysterese im Ansprechverhalten
des Lichtempfängers 3 besteht aus zwei Widerständen 31,32 die einen Spannungsteiler
bilden, der zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors 25 angeordnet ist.
Parallel zum Widerstand 32 ist ein Kondensator 34 geschaltet.
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Der Leuchtdiode 24 ist eine Zenerdiode 35 parallel geschaltet.
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Zu der Spule 23 des Relais und der Zenerdiode 35 sowie der Leuchtdiode
24 liegt ein Kondensator 36 parallel. Dem Kondensator 21 ist ein Varistor 37 parallel
geschaltet, der Spannungsspitzen vom Netz begrenzt.
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Im Betrieb der Lichtschranke wird der Kondensator 16 über den Widerstand
7 aufgeladen. Am Abgriff des aus den Widerständen 7,8,9 und dem Kondensator 16 bestehenden
Spannungsteilers, Verbindungspunkt R8-R9, tritt eine Spannung 42 (Fig.2) auf, die
maximal um die Durchlaßspannung der Dioden 15 und 33 höher ist als die Zenerspannung.
In Fig. 2 sind in Ordinatenrichtung die Amplituden von Spannungen und in Abszissenrichtung
die Zeit t eingetragen. Über den Widerstand 18 und die Bauteile 7,8,16,15 und 33
fließt ein Ladestrom für den Kondensator 19, an dem eine gegeniiber der treibenden
Spannung 38 phasenverschobene Spannung 39 auftritt. Die Phasenverschiebung hängt
von der Zeitkonstanten der aus den Elementen 7,8,16,9,18,19 bestehenden RC-Schaltung
ab. Die Spannung 39 steigt auf den Wert der Zenerspannung der Zenerdiode 20 an,
solange der Spannungsabfall an der RC-Schaltung die Zenerspannung überschreitet.
Der in Fig. 2 gezeigte Anstieg
der Spannung 39 auf die Zenerspannung
wird von einem Einschwingvorgang festgelegt. Die Kathodenspannung 40 des Thyristors
6 folgt zunächst der Spannung 42 und verharrt dann auf einem gleichbleibenden Wert,
der ebenfalls von der Zenerspannung der Diode 20 abhängt. Er ist jedoch um den Spannungsabfall
an der Diode 33 höher als die Zenerspannung. In Fig. 2 sind zwei Quadranten I, II
der Periode T der Netzwechselspannung dargestellt. Im Quadranten II fällt die-Kathodenspannung
des Thyristors 6 mit der Spannung am Abgriff des Spannungsteilers am Verbindungspunkt
der Widerstände 8,9 ab. Infolge der -Phasenverschiebung der Spannung 39 an der Steuerelektrode
des Thyristors 6 geht diese Spannung 39 zeitlich später als die Spannung 40 zurück.
Daher stimmen die beiden Spannungen 39 und 40 zu einem im zweiten Quadranten II
liegenden Zeitpunkt tl iiberein.
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Nach diesem Zeitpunkt t ist die Steuerelektrode des Thyristors 6 positiver
als die Kathode, so daß der Thyristor 6 gezündet wird.
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Bei der Ziindung wird der Kondensator 16 schlagartig über den Thyristor,
die Induktivität 5 und die Lumineszenzdiode 4 entladen. Es entsteht ein Impulsstrom,
der die Lumineszenzdiode zur Abgabe eines Lichtimpulses veranlaßt. Da durch die
Diode 15 ein die Induktivität enthaltender Stromkreis geschlossen wird, kann die
in der Induktivität 5 gespeicherte Energie. für die Lichterzeugung besser ausgenutzt
werden.
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Zum Zeitpunkt t2 ist die Spannung 42 auf null abgesunken. Dic
phasenverschobene
Spannung 39 erreicht zum Zeitpunkt t3 den Wert null. Die Zündung des Thyristors
6 ist bei Unterscheiten des llaltestromes beendet. Die, Lumineszenzdiode wird erst
nach dem Zeitpunkt t1 mit Strom durchflossen, wenn der Thyristor 6 durchschaltet.
Der Lichtimpuls dauert so lange, bis der Kondensator 16 entladen ist. Der Zeitpunkt
der Zündung hängt von der Zenerspannung der Diode 20, dem Verhältnis der Widerstände
7,8 und 9 mit dem Kondensator 16 und der Zeitkonstanten der Elemente 18, 19 ab.
Die Zündung kann auf einen späten Zeitpunkt im zweiten Quadranten II eingestellt
werden, wenn das Relais 23 nur für kleine Nennspannungen bemessen ist. Durch den
zum Zeitpunkt t entstehenden Lichtimpuls wird der Phototransistor 28 in den leitenden
Zustand versetzt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind die Schaltungen von
Lichtsender 2 und Lichtempfänger 3 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, da die
Lichtschranke 1 als Reflexionschranke ausgebildet ist, muß außerhalb vom Gehäuse
ein Reflektor angeordnet werden, der die ausgesendeten Lichtimpulse in Richtung
des Phototransistors 28 reflektiert.
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Der Phototransistor 28 ist über den Widerstand 30 an Betriebsspannung
gelegt, die durch einen nicht näher bezeichneten Kondensator geglättet wird. Sobald
der Phototransistor 28 in den leitenden Zustand iibergeht, wird iiber den Kondensator
27 ein Zündimpuls zur Steuerelektrode des Thyristors 25 übertragen.
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Der Thyristor 25 wird hierdurch gezündet, so daß nach dem Zeit punkt
t 1 ein Strom iiber den Widerstand 22, die Spule 23 und die Leuchtdiode 24 fließt.
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Durch den Kondensator 36 wird eine Überbrückung der Spannungslücke
erreicht. Das Relais bleibt deshalb angezogen. Wird der Thyristor 25 nicht erneut
in der nachfolgenden Halbwelle gezündet, dann fällt das Relais ab, da der Kondensator
36 nicht erneut geladen wird. Durch den Widerstand 22 wird der Entladestrom von
Kondensator 21 begrenzt. Durch einen Zündimpuls fließt ein Strom über den Widerstand
31 und Kondensator 34 wobei der Kondensator 34 geladen wird. Nach Abklingen des
Ziindimpulses findet für die Durchschaltdauer des Thyristors eine Nachladung des
Kondensators 34 statt. Der Ladestrom für Kondensator 34 fließt aus dem Gate des
Thyristors 25 heraus. Eie Entladezeit des Kondensators 34 ist durch den Widerstand
32 eingestellt. Für eine gewisse, von der Entladezeit abhängige Zeitdauer ist an
der Steuerelektrode des Thyristors 25 eine Vorspannung vorhanden.
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Deshalb reicht ein während dieser Zeitdauer ankommender Zündimpuls
für die Ziindung auch dann aus, wenn seine Amplitude etwas geringer als diejenige
das die Zündung nach längerer Unterbrechungszeit hervorrufenden Impulses ist. Die
Vorspannung an der Steuerelektrode ruft eine Eiysterese hervor. Aus diesem Grunde
kann das Relais beim Übergang zwischen unbeleuchtetem und beleuchtetemPhototransistor
28 nicht mehrfach betätigt erden.
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Die mehrfache Betätigung wird auch in der Übergangsphase zwischen
beleuchtet undunbeleuchtetem Transistor 28 unterdrückt.
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Da die Leuchtdiode 24 mit- der Spule 23 in Reihe geschaltet ist, wird
eine zuverlässige Anzeige der RetRtigung des Relais erreicht. Damit jedoch bei Unterbrechung
der Leuchtdiode 21t im Fehlerfalle das Relais in Funktion bleibt, ist parallel zu
der
Leuchtdiode 2 eine Zenerdiode 35 gelegt. Die Leuchtdiode 2
hat eine Durchlaßspannung von etwa 1,6 Volt. Die Zenerspannung liegt höher, wobei
etwa 2,7 Volt ausreichend sind.
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Durch die Zenerdiode 20 tritt eine geringe Überkompensation des Einflusses
von Netzwechselspannungen auf den Effektivert der an dem Relais abfallenden Spannungen
auf. Diese Überkompensation läßt sich durch einen in Reihe mit der Zenerdiode 20
geschalteten Widerstand beseitigen. Vorzugsweise wird ein Trimmerwiderstand verwendet.
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L e e r s e i t e