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Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungsschalter mit
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einer Oszillatorschaltung und einem von der Oszillatorschaltung gesteuerten
Umschalterausgang mit zwei in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern, die in
Reihe mit einer Last parallel an eine Spannungsquelle geschaltet sind, sowie mit
einer an die Oszillatorschaltung angeschlossenen rlggerstufe, für die Ansteuerung
des Umschalterausganges.
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Es sind gleich- oder wechselstromgespeiste Hochfrequenz-Annäherungsschalter
bekannt, die eine Nachweisspule, einen mit der Nachweisspule zu einem Resonanzkreis
verbundenen Kondensator und eine mit dem Resonanzkreis verbundene Schwingungsschaltung
umfassen, wobei sich die impedanz des Resonanzkreises mit Annäherung eines durch
den Annäherungsschalter nachzuweisenden Gegenstandes ändert. Der Kondensator ist
dabei im allgemeinen zusammen mit der Schwingungsschaltung auf einer Leiterplatte
angebracht und mit der Nachweisspule über Kabel, beispielsweise Litzendrähte oder
feine massive Drähte, verbunden.
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Ein aus der DE-OS 30 14 416 bekannter Annäherungsschalter weist einen
integrierten Schaltkreis auf, der mit einer Nachweisspule, einem Resonanzkondensator,
einem veränderbaren Widerstand zum Einstellen der Empfindlichkeit des Annäherungsschalters,
einem Temperaturkompensationsthermistor, einem Integrationskondensator usw. verbunden
ist, wobei die Nachweisspule und der Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden.
Die integrierte Schaltung dient in der bekannten Anordnung als Schwingungs- und
Signalverarbeitungsschaltung und steuert einen Ausgangs-transistor. Eine zusätzlich
vorgesehene Zener-Diode ist zum Auffangen von Spannungsstößen vorgesehen, während
ein parallel zur
Spannungsquelle geschalteter Kondensator und Lastwiderstände
so ausgelegt sind, daß sie Spannungsstöße auffangen und die Gesamtschaltung als
Ganzes schützen. Schließlich ist bei diesem bekannten Annäherungsschalter noch eine
Leuchtdiode zur Anzeige des Nachweis zustandes des Annäherungsschalters in der Schaltung
vorgesehen.
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Derartige Annäherungsschalter mit einer integrierten Schaltung erfordern
jedoch erhebliche Maßnahmen zum Schutz der integrierten Schaltung und zur Vermeidung
von Störeinflüssen. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit, die bei integrierten
Schaltkreisen vergleichsweise große Spannungspegel aufweisen muß, sind zusätzlich
mehr Windungen für die Nachweis spule erforderlich als für Annäherungsschalter mit
diskreter Schaltkreistechnik. Die erhöhte Windungszahl wiederum vergrößert die Gefahr,
daß durch Fremdfelder induzierte Spannungen an die Oszillatortransistoren gelangen
und diese zerstören. Auch dafür sind entsprechende Gegenmaßnahmen erforderlich,
so daß derartige Annäherungsschalter in integrierter Schaltkreistechnik aufwendig
und gleichwohl sehr störanfällig sind.
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Aus der DE-AS 25 00 413 ist ein Wechselstrom-Näherungsschalter in
diskreter Schaltungstechnik mit einem magnetisch, kapazitiv oder optisch beeinilußbaren
Oszillator, einem durch den Oszillator gesteuerten mit den Anschlußklemmen der Zweidrahtverbindung
zur Serienschaltung von Last und Spannungsquelle in Reihe geschalteten elektronischen
Schalter sowie einer über die genannten Anschlußklemmen gespeisten Gleichrichterschaltung
für die Stromversorgung der den Oszillator aufweisenden bUhlerschaltung bekannt,
bei dem zwischen die Gleichrichterschaltung und die kUhlerschaltung mit Oszillator
eine diese bühlerschaltung nur während der ansteigenden zeile der von der Gleichrichterschaltung
gelieferten Halbwellenspannung mit Strom versorgende Steuerschaltung eingeschaltet
ist.
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Dieser bekannte Annäherungsschalter weist zum einen keine Möglichkeit
des wechselweisen Umschaltens seines Ausganges auf, zum anderen ist er für einen
nur geringen Spannungsbereich geeignet und empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen.
Darüber hinaus ist keine Maßnahme zum Uberlastschutz des als Ausgangsschalter dienenden
rityristors vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Annäherungsschalter
mit einem Umschalterausgang zu schaffen, der bei optimalem Betriebsverhalten wie
geringem Leerlaufstrom, hohem Laststrom und großer Störimpulsfestigkeit sowie geringem
baulichen Aufwand und unter Verwendung standardisierter Bauteile eine sichere Funktion
in einem großen Spannungsbereich aufweist, zuverlässig und robust auch unter extrem
ungünstigen Bedingungen arbeitet und auch gegenüber Fehlschaltungen unempfindlich
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Umschalterausgang
mit einer Schutzbeschaltung zum Verpolungsschutz und zum Schutz gegen kurzfristige
Uberspannungen und kurzfristige und länger anstehende überströmte versehen ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung schafft einen Annäherungsschalter mit
Umschalterausgang, der neben einem optimalen Betriebsverhalten durch geringen Leerlaufstrom,hohen
Laststrom und große Sicherheit gegen Störeinflüsse und Fehlschaltungen auch unter
extrem ungünstigen Bedingungen zuverlässig arbeitet, selbst bei kurz- oder langzeitiger
Durchschaltung beider Endtransistoren einen strombegrenzenden Kurzschlußschutz sowie
Schutz gegen Falschpolungen aufweist und durch Verwendung standardisierter Bauteile
vergleichsweise billig in der herstellung ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des kurzschlußfesten Annäherungsschalters
mit Umschalterausgang besteht zudem darin, daß unabhängig vom Schalt zustand immer
ein bestimmtes Potential niederohmig auf die Signalleitung geschaltet ist.
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Eine erste Aus :Uührungsvari ante der erfindungsgemäßen Lö sung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter aus komplementären Endstufen-lransistoren
bestehen, die in Reihe geschaltet über Emitterwiderstände parallel an die Spannungsquelle
angeschlossen sind und daß an die Verbindung der Emitterwiderstände mit den Emittern
der komplementären Endstufen-ransistoren zur Schutzbeschaltung die Basis je eines
Schutztransistors angeschlossen ist, deren Emitter mit dem einen bzw. anderen Pol
der Spannungsquelle und deren Kollektor mit der Basis des jeweiligen Endstufen-Transistors
verbunden ist.
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In Weiterführung dieser Variante sind parallel zu den Emitterwiderständen
PlC-Widerstände geschaltet, die thermisch gut leitend mit den Endstufen-lransistoren
verbunden sind. Die Basen der Schutztransistoren sind dabei über die Parallelschaltung
eines Basiswiderstandes und eines Kondensators an die Verbindung der Emitterwiderstände
mit den Emittern der Endstufen-'£ransistoren angeschlossen.
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über die Emitterwiderstände wird im Falle eines unzulässig hohen Stromes
ein Spannungsabfall erzeugt, mit dem die Schutztransistoren angesteuert werden und
auf diese Weise die Steueranschlüsse der Endstufen-'i'ransistoren niederohmig an
den jeweiligen Potentialanschluß gelegt. in Ergänzung zu dieser ersten
Schutzmaßnahme
übernehmen die P'i1C-Widerstände einen vorausbestimmten 'lieilstromt der von einer
bestimmten Höhe an zur Ençärmung der Widerstände führt und deren Eigenwiderstand
erhöht, so daß das Basis-Emitter-Potential der Schutztransistoren erhöht wird. Dieser
Effekt wird noch durch die thermisch gut leitende Verbindung zwischen den Endstufen-'fransistoren
und den PTC-Widerständen erhöht, indem sowohl die durch einen erhöhten Teilstrom
seitens der PlC-Widerstrtnde als auch durch die Erwzärrnung der Endstufen-'i'ransistoron
bei erhöhter Verlustleistung die basis-Emitter-Spannung der Schutztransistoren ansteigt
und zur schnellen Reduzierung der Lastströme führt. Durch die Addition dieser Steuerfunktionen
wird eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt, ohne daß die Schaltungsanordnung
zu empfindlich gegenüber eintreffenden Störimpulsen ist.
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Eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronischen Schalter aus komplementären Endstufen-'lransistoren bestehen,
deren Emitter mit je einem Umschalterausgang bzw. der Spannungsquelle verbunden
sind und deren Kollektoren über je einen PTC-Widerstand an dem gemeinsamen Umschalterausgang
angeschlossen sind.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der äußerst geringen
Anzahl von Bauelementen bei voller Schutzfunktion der Schaltung. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß auch bei einem defekten Endstufen-lransistor die Sperrfunktion
voll erfüllt wird und so die jeweils andere Seite noch in punktion belassen wird.
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Eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronischen Schalter aus komplementären EndstuSen-llransistoren bestehen,
die in Reihe geschaltet parallel an zwei der drei Umschalterausgänge bzw. parallel
zur Spannungsquelle liegen und deren miteinander verbundene Kollektoren über zwei
Lastwiderstände an den dritten Umschalterausgang angeschlossen sind und daß die
Verbindung der Widerstände mit je einem Optokoppler verbunden ist, die in der Schutzbeschaltung
für jeden der beiden komplementären Endstufen-Transistoren angeordnet sind, wobei
die Kathode der einen Optokoppler-Diode an die Verbindung der beiden Lastwiderstände
und deren Anode an die Kathode der anderen Optokoppler-Diode angeschlossen ist und
wobei die Anode der anderen Optokoppler-Diode an die Verbindung zweier kathodenseitig
zusammengeschalteter Dioden angeschlossen ist und wobei die kathodenseitig zusammengeschalteten
Dioden parallel zu den beiden Lastwiderständen liegen.
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Diese Lösung schließt den Vorteil ein, daß der Laststrom unabhängig
davon, welcher Umschalterausgang stromführend ist, über die Lastwiderstände fließt
und in Verbindung mit den parallel zu den Lastwiderständen geschalteten Dioden bei
zu hohem taststrom die Transistoren der Optokoppler leitend werden und so die Endstufen-Transistoren
schützen. Diese Variante arbeitet sowohl strombegrenzend als auch quasi-abschaltend,
indem beide Endstufen-Transistoren zeitgleich abgeschaltet werden, unabhängig davon,
an welchem Umschalterausgang ein Kurzschluß bzw.
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eine Überlastung stattgefunden hat.
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Eine weiterführende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindung der
beiden Endstufen-'i'ransistoren
einerseits und dem einen bzw. anderen Pol der Spannungsquelle andererseits eine
Zenerdiode angeschlossen ist.
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Diese hintereinandergeschalteten Zenerdioden gewährleisten zum einen,
daß sehr energiereiche impuls spitzen abgebaut werden, die oberhalb der Durchbruchspannung
der in Serie geschalteten Zenerdioden liegen, zum anderen bewirken sie einen sicheren
Schutz des jeweils parallelgeschalteten Endstufen-llransistors vor induzierten Spannungsspitzen.
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Als Verpolungsschutz ist schließlich mit anodenseitigem Anschluß an
den positiven Pol der Spannungsquelle bzw. kathodenseitigem Anschluß an den negativen
Pol der Spannungsquelle eine Schutzdiode zwischen einem der beiden Pole der Spannungsquelle
und dem Annäherungsschalter geschaltet.
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Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die lriggerstufe, die direkt mit einem der elektronischen Schalter verbunden
ist, andererseits mit einer Umkehrstufe verbunden ist, an die der andere der elektronischen
Schalter angeschlossen ist. rriggerstufe und zugehörige Schalter haben jeweils komplementäre
lransistoren.
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Mit dieser Lösung wird ein gleitender Arbeitspunkt des Oszillators
realisiert, wodurch bei einem größeren Spannungsbereich eine stets optimale Anpassung
an den Schmitt-frigger und ein wesentlich besseres lDemperaturverhalten erzielt
wird. Darnit kann ohne weiteres auf eine Stabilisierung der Versorgungs spannung
verzichtet und der Leerlaustronverbrauch reduziert werden, da ein sonst unvermeidlicher
Querstrom über eine Stabilisierungsstrecke,
die beispielsweise
aus Zenerdioden mit definierter Zenerspannung aufgebaut sein kann, entfällt.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen: ig.
1 die Prinzipskizze eines Annäherungsschalçers, big. 2 das Schaltbild einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters mit Umschalterausgang,
Kurzschlußschutz und Spannungsanpassung und Yig. 3 und 4 zwei weitere Variationen
der erfindungsgemäßen Schutzschaltung am Ums chalterausgang.
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Die in big. 1 dargestellte Prinzipskizze zeigt einen Annäherungsschalter
S mit Umschalterausgängen A7 und A3, die durch den im Annäherungsschalter S enthaltenen
Last-Umschalter abwechselnd mit dem dritten Umschalterausgang A2 verbunden werden.
An die Umschalterausgänge AI und A2 bzw. A2 und A3 ist je eine Last L angeschlossen,
beispielsweise je ein Schaltrelais. An die beiden Umschalterausgänge Al und A2 ist
zusätzlich eine Spannungsversorgung V, im vorliegenden P'alle eine Gleichspannungsquelle,
zur Spannungsversorgung des Annäherungsschalters S und zur Versorgung der Last L
angeschlossen.
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Das in big. 2 dargestellte Schaltbild eines erfindungsgemäßen Annäherungsschalters
besteht aus einem Oszillatorkreis, einem Schmitt-lrigger, einer Umkehrstufe, einer
Endstufe sowie einer
Schutzschaltung für die Endstufe. Der Oszillatorkreis
enthält eine Nachweis spule mit den wahlweise auf einem Spulenkörper oder getrennt
angebrachten leilwicklungen 11 und 12 geschalteten und mit diesem zu einem Resonanzkreis
verbundenen Kondensator 13, sowie die mit dem Resonanzkreis verbundene, an sich
bekannte Oszillatorschaltung, bestehend aus den Transistoren 15, 16 und den Widerständen
17, 18, 19 sowie einen Integrationskondensator 14. Bei Annäherung eines durch den
Annäherungsschalter nachzuweisenden Gegenstandes ändert sich die Impedanz des Resonanzkreises
und führt bei bestimTnter impedanzänderung und Überschreitung eines einstellbaren
Schwellwertes zum Durchschalten des Schmitt-lriggers. Der über einen aus zwei in
Reihe geschalteten Widerständen 33, 34 bestehenden Spannungsteiler an den Oszillatorkreisausgang
angeschlossene Schmitt-rigger besteht in ebenfalls an sich bekannter Weise aus zwei
emittergekoppelten Transistoren 31, 32, deren Kollektoren über Widerstände 35, 37
an den positiven Pol der Spannungsquelle V angeschlossen sind und deren gemeinsamer
Emitteranschluß über einen Widerstand 36 mit dem negativen Pol -V der Spannungsquelle
verbunden ist. Während die Basis des ersten rfransistors 31 an den FIittenabgriff
des Spannungsteilers 3), 34 angeschlossen ist, ist die Basis des zweiten Transistors
32 mit dem Kollektor des ersten transistors 31 verbunden.
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Der Ausgang des Schmitt-Triggers ist zum einen über einen Widerstand
55 direkt mit der Basis des PNP-Endstufen-'i'ransistors 51, zum anderen über einen
Spannungsteiler 43, 44 mit der Umkehrstufe verbunden. Diese Umkehrstufe besteht
aus zwei in Kaskade geschalteten PNP-Transistoren 41, 42, von denen der erste Transistor
41 mit der Basis an den Mittenabgriff des Spannungsteilers
43,
44 und kollektorseitig sowohl an die Basis des zweiten Transistors 42 als auch über
einen Widerstand 45 an den negativen Pol -V der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Der Emitter des ersten sowie zweiten Transistors 41, 42 ist direkt an den positiven
Pol +V der Spannungsquelle angeschlossen, während der Kollektor des zweiten lransistors
42 an einen weiteren Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 57, 58,angeschlossen
ist. Am Mittenabgriff dieses Spannungsteilers 57, 58 ist die Basis des zum ersten
Endstufen-llransistors 51 komplementären NPN-Rldstufentrsnsistors 52 angeschlossen.
Die beiden zueinander komplementären Endstufen-'i'ransistoren 51, 52 sind über je
einen Emitterwiderstand 56, 59 mit dem positiven (PI-Endstufentransistor 51) bzw.
negativen Pol der Spannungsquelle V verbunden.
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Bis auf die noch zu beschreibende Schutzschaltung für die Umschalterausgänge
ist damit der auch in den nachstehenden Fig.
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3 und 4 enthaltene Annäherungsschalter vollständig beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist zusätzlich in den- Strompfad-der Oszillatorschaltung
ein Widerstand 20 eingefügt, mit dem der gleitende Arbeitspunkt der Oszillatorschaltung
realisiert wird, d.h. der Arbeitspunkt des Oszillators paßt sich bei unterschiedlicher
Spannung der Versorgungsspannung V jeweils dem festen Arbeitspunkt des Schmitt-riggers
an, so daß in einem großen Spannungsbereich von ca. 10 bis 30 Volt eine stets optimale
Anpassung der Oszillatorschaltung an den Schmitt-frigger und ein wesentlich verbessertes
lemperaturverhalten erreicht wird. Durch diese einfache Maßnahme kann auf eine Stabilisierung
der Versorgungsspannung beispielsweise durch Vorsehen einer parallel zur Versorgungsspannungsquelle
geschalteten Zenerdiode verzichtet
werden. Eine solche Maßnahme
hätte zudem den Nachteil, daß ein erheblicher Eigenstromverbrauch der Schaltung
im Leerlauf durch den über diese Stabilisierungsstrecke fließenden Querstrom auftreten
würde. Der Wegfall der Stabilisierungsstrecke und damit der geringe Leerlaufstrom
erweist sich insbesondere hinsichtlich des Netzteiles als vorteilhaft, das beim
Einsatz mehrerer Annäherungsschalter entsprechend klein ausgeführt werden kann.
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Der große Spannungsbereich von ca. 10 bis 30 Volt wird aber im wesentlichen
dadurch erzielt, daß der aus den NPN-rlransistoren 31 und 32 gebildete Trigger direkt
einen PNP-Endstufen-ransistor 51 ansteuert und gleichzeitig die Wandler- und Umkehrstufe
mit galvanischer Kopplung, bestehend aus den PNP-ransistoren 41 und 42, ihrerseits
eine IIPN-ilransistor-Endstufe 52 ansteuert. Durch die Ansteuerung von Stufen des
einen Leitfähigkeitstyps durch Stufen des komplementären Leitfähigkeitstyps wird
insbesondere auf einen geringen Leerlaufstrom geachtet. Auf diese Weise muß immer
nur der notwendige Steuerstrom im durchgeschalteten Schaltzustand aufgebracht werden,
so daß keinerlei Verlustströme inmiederohmigen Kollektorwiderständen auftreten können.
Die galvanische Kopplung aller Stufen hat zudem den Vorteil einer hohen Störimpulsfestigkeit
und den Vorteil, daß eindeutig positive oder negative Signale des triggers unverändert
an die nachfolgende Stufe abgegeben werden.
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Zum Kurzschluß- und Überlastungsschutz der Umschalterausgänge ist
erfindungsgemäß folgende Schaltung vorgesehen: Parallel zu den in Reihe zu den Endstufen-fransistoren
51, 52 geschalteten Emitterwiderständen 56, 59 sind über je einen
Basiswiderstand
63, 64 die Basis-Emitter-Strecken von Schutztransistoren 61, 62 geschaltet, deren
Kollektor mit der Basis des zu schützenden Endstufen-ransistors 51 bzw. 52 verbunden
ist. Eine wesentliche, ergänzende Schutzmaßnahme besteht darin, daß parallel zu
den Emitterwiderständen 56, 59 mit engem mechanischem und damit thermischen Kontakt
mit den Endstufenransistoren 51, 52 PLC-Widerstände 53, 54 geschaltet sind.
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Die enge mechanische Verbindung zwischen den Endstufentransistoren
51, 52 und den PlC-Widerständen 53, 54 ist in kig. 2 durch die gestrichelte Umrallmung
der beiden Bauteile angedeutet.
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Eine weitere Schutzmaßnahme besteht darin, daß parallel zu den Umschalterausgängen
Al, A2 und A3, d.h. parallel zu der Reihenschaltung von den Emitterwiderständen
56, 59 und den Endstufenransistoren 51, 52 je eine Zenerdiode 67, 68 mit kathodenseitigem
Anschluß an den positiven Pol der Spannungsquelle V bzw. anodenseitigem Anschluß
an den negativen Pol der Spannungsquelle V geschaltet sind. Ein parallel zu der
Spannungsquelle V geschalteter Schutzkondensator 69 nimmt schnelle Spannungsimpulse
kurzzeitig auf, während die hintereinandergeschalteten, als Löschdioden wirkenden
Zenerdioden 67, 68 spannungsbegrenzend bei sehr energiereichen Spannungsspitzen
wirken.
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Als Verpolungsschutz ist wahlweise in den einen oder anderen Zweig
der Spannungsversorgung in entsprechender Polung eine Diode 70 geschaltet, die bei
falschem Anschluß der Spannungsquelle V starrend wirkt.
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Die Sknktionsweise des erfindungsgemäßen Kurzschluß- und Überlastungsschutzes
wird nachstehend kurz erläutert. Gegenüber bekannten Schutzschaltungen wird bei
der erfindungsgemäßen
Lösung durch die Kombination von drei einzelnen
Schutzmaßnahmen in besonderer Weise ein sehr sicherer Schutz erzielt: 1. Über die
Emitterwiderstände 56, 59 wird im kalle eines unzulässig hohen Laststromes ein Spannungsabfall
erzeugt, der über die Widerstände 63, 64 die Basen der Schutztransistoren 61, 62
ansteuert und somit die Kollektor-Emitter-Strecke der Schutztransistoren 61, 62
leitend macht, so daß die mit dem Kollektor der Schutztransistoren 61, 62 verbundenen
Basen der Endstufen-ransistoren 51, 52 niederohmig gegen das jeweilige ußpunktpotential
gelegt werden. Auf diese Weise wird der Laststrom über den jeweiligen Endstufen-'fransistor
51 bzw. 52 auf einen zulässigen Wert reduziert oder begrenzt.
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2. Die PlC-Widerstände 53, 54 liegen parallel zu den Emitterwiderständen
56, 59 und übernehmen einen durch den bei Normaltemperatur herrschenden Widerstand
vorausbestimmten rlleilstrom, dessen Überschreiten zur Erwärmung der PlC-Widerstände
53, 54 führt, den Eigenwiderstand der PTC-Widerstände 53, 54 erhöht und somit den
Spannungsabfall parallel zur Basis-Emitter-Strecke der Schutztransistoren zusätzlich
erhöht und auf diese Weise wiederum zur Ansteuerung des jeweiligen Schutztransistors
61, 62 beiträgt.
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3. Die Wirkung der PTC-Widerstände 53, 54 wird durch den engen thermischen
Xontakt der P'£C-Widerstände 53, 54 mit den Endstufen-lransistoren 51, 52 in der
Weise stark unterstützt, daß der ansteigende Strom zur Eigenerwärmung und damit
zur Widerstandserhöhung der PTC-Widerstände 53, 54 führt, der gleiche Zustand aber
auch durch die thermische Erwärmung der Endstufen-Transistoren 51, 52 bei erhöhter
Verlustleistung erzielt wird.
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Durch die kombinierte Wirkung der genannten drei Schutzfunktionen
wird eine große Ansprechempfindlichkeit ohne Vergrößerung der Empfindlichkeit gegenüber
eintreffenden impulsen erzielt.
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Diese hohe Ansprechempfindlichkeit der Schutzeinrichtung kann unter
bestimmten Umständen zu Resonanzschwingungen führen, was durch die den Widerständen
63, 64 parallelgeschalteten Kondensatoren 65, 66 verhindert wird.
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Die in Fig. 3 dargestellte Variante der Schutzbeschaltung der Umschalterausgänge
weist analog zur Schutzbeschaltung gemäß Fig. 2 einen Verpolungsschutz gegen Falschpolung
der Versorgungsspannung mittels einer Diode 70 sowie zwei parallel zu den Endstufen-l;ransistoren
51,52 geschaltete Zenerdioden 67, 68 auf, die kathoden- bzw. anodenseitig mit dem
positiven bzw.
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negativen Pol der Spannungsquelle V verbunden sind. Diese Zenerdioden
67, 68 erfüllen ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zweierlei Funktionen,
indem sie zum einen sehr energiereiche impulsspitzen, die oberhalb der Durchbruchspannung
der beiden hintereinandergeschalteten Zenerdioden liegen, sicher abbauen und zum
anderen für jeden des jeweils parallelgeschalteten Endstufen-'l'ransistors 51, 52
induzierte Spannungen abbauen. Schließlich werden analog zum Ausfuhrungsbeispiel
gemäß Fig. 3 kurzzeitige Spannungsimpulse durch den parallel zur Spannungsquelle
V geschalteten Kondensator 69 abgebaut.
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In Abänderung der Schutzbeschaltung gemäß Fig. 2 ist jedoch im Leitungszug
des dritten Umschalterausgangs A2 die Reihenschaltung zweier Widerstände 85, 8d
vorgesehen, in deren gemeinsamer Verbindung die lichtemittierende Diode eines ersten
Optokopplers 91 angeschlossen ist. Kathodenseitig mit der Anode der
lichtemittierenden
Diode des Optokopplers 91 ist die lichtemittierende Diode eines zweiten Optokopplers
92 verbunden, deren anodenseitiger Anschluß an die kathodenseitige Verbindung von
zwei parallel zu den Widerständen 85, 86 geschalteten Dioden 87, 88 angeschlossen
ist. Die lichtempfindlichen ransistoren der beiden Optokoppler 91, 92 sind emitterseitig
an den einen bzw. anderen Anschluß des Schutzkondensators 69 und kollektorseitig
sowohl über je einen Widerstand 75 bzw. 79 mit dem Emitter des zugeordneten Endstulen-'i'ransis-tors
51 bzw. 52 als auch über einen weiteren Widerstand 83 bzw. 84 mit dem positiven
bzw. negativen Pol der Spamlungsquelle V verbunden.
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An die Verbindung der Kollektoren der beiden Optokoppler-'fransistoren
mit den Widerständen 75, 79 ist die Basis eines weiteren transistors 71, 74 angeschlossen,
deren Emitter mit dem positiven bzw. negativen Pol der Spaxinungsquelle V und deren
Kollektor mit der Basis je eines Sciiutztransistors 72, 73 verbunden ist.
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Die Basen der Schutztransistoren 72, 73 sind über die Parallelschaltung
je eines Widerstandes 78 bzw. 81 und eines Kondensators 77 bzw. 82 mit dem einen
Pol der Spannungsquelle V und über einen weiteren Widerstand 76 bzw. 80 mit dem
jeweils entgegengesetzten Pol der Spannungsquelle V verbunden. Die mit der Basis
jeweils eines der beiden Schutztransistoren 72 bzw. 73 verbundenen Widerstände 76,
78 bzw. 80, 81 bilden damit einen Spannungsteiler zwischen den Polen der Spannungsquelle
V. Der Kollektor jedes der beiden Schutztransistoren 72, 73 schließlich ist mit
der Basis des zugeordneten Endstufen-'i'ransistors 51, 52 verbunden.
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Bei dieser auf überströmte oder Überspannungen sehr schnell ansprechenden
Schutzschaltung wird der Abschalteffekt durch die
beiden Optokoppler
91, 92 erzielt. Steigt der Laststrom spontan oder langzeitig an, so bewirkt die
am Spannungsteiler 85, 86 abgegriffene, ansteigende Spannung ein Durchschalten des
Optokopplers 91, 92 und über die Basisansteuerung der Transistoren 71, 74 ein Aufsteuern
der Schutztransistoren 72, 73, so daß bis auf den jeweiligen Basis-Emitter-Spannungsabfall
positive Spannung an die Basis des PNP-Endstufen-lransistors 51 und negative Spannung
an die Basis des NPiEndstufen-'l'ransistors 52 gelegt wird und diese in einen hochohmigen
Zustand in bezug auf den Laststrom gebracht werden. Das äußerst schnelle Ansprechen
der Optokoppler sowie der Verstärkungsgrad der ransistoren 71, 72 bzw. 73, 74 bewirken
das extrem schnelle Ansprechen dieser Schutzschaltung. Bei dieser Schaltungsvariante
wird damit sowohl strombegrenzend - durch das bei steigendem Laststrom ansteigende
Durchschalten des Optokopplers und der Schutztransistoren - als auch quasi-abschaltend
gearbeitet. In uberspannungs- oder Überstromfall werden beide Endstufen-lransistoren
51, 52 zuglich abgeschaltet, unabhängig davon, in welchem Laststrompfad der Kurzschluß-
oder Überstromfall aufgetreten ist. Der Begriff quasi-abschaltend ist derart zu
verstehen, daß in einem durch die RC-Rombinationen der Widerstände 78 bzw. 81 und
der Kondensatoren 77 bzw. 82 vorgegebenen Zeittaktverhältnis der Störungszustand
periodisch abgefragt wird.
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Der Aufbau des eigentlichen Annäherungsschalters entspricht dem des
in zeigt 2 dargestellten Schaltbildes, so daß die in big. 3 eingetragenen Bezugszeichen
die gleichen Bauelemente bezeichnen wie die zur zig 2 erläuterten Zeichen.
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Das in blig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der erSindungsgemäßen
Schutzschaltung zeigt eine bezüglich des schaltungstechnischen Aufwandes sehr einfache,
aber gleichwohl äußerst wirksame Variante des dieser Erfindung zugrundeliegenden
Gedankens. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 liegen diesem Ausführungsbeispiel
die den Spannungsabfall hervorrufenden
Widerstände in dem Lastzweig.
Diese Variante ist einfacher und damit preisgünstiger als die Variante gemäß Fig.
3, bezüglich ihres Ansprechens auf plötzliche Überspannungen oder Überströme jedoch
langsamer als die Anordnung gemäß Fig. 3. Der Einsatz der beiden Ausführungsbeispiele
gemäß Fig. 3 oder Fig. 4 wird daher im wesentlichen von den jeweiligen Anfordoi'uii'en
sowie von der Art der verwendeten Endstufen-'l'ransistoren abhängen.
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in dieser Schaltung sind in Reihe zu den beiden komplementären Endstufen-Transistoren
51, 52 zwei PLlC-Widerstände 101, 102 an die Kollektoren der Endstufen-lransistoren
51, 52 angeschlossen. Die Verbindung der beiden PlC-Widerstände 101, 102 bildet
dabei den dritten Umschalterausgang A2. Parallel zu der Reihenschaltung jeweils
eines Endstufen-Transistors 51 bzw. 52 und eines PTC-Widerstandes 101 bzw. 102 ist
eine Zenerdiode 67 bzw. 68 geschaltet, deren Polung entgegengesetzt zur Stromflußrichtung
durch die Endstufen-Transistoren 51 bzw. 52 gerichtet ist. Die Wirkung dieser parallelgeschalteten
Zenerdioden 77, 68 entspricht der zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bzw. Fig.
3 dargestellten Wirkung ebenso wie die zum Verpolungsschutz in den einen oder anderen
Zweig der Spannungsversorgung eingeschalteten Diode 70.
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Die Steueranschlüsse der beiden Endstufen-'£-ransistoren 51, 52 sind
in dem vorliegend« Ausführungsbeispiel mit B1 bzw. B2 bezeichnet und sind in entsprechender
Weise an die Annäherungsschalter-Anordnung gemäß den Fig. 2 bzw. 3 angeschlossen.
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Diese Schaltung weist zum einen den Vorteil auf, mit sehr wenig Bauteilen
auszukommen, zum anderen ist bei einem defekten Endstufentransistor 51 bzw. 52 der
beiden Endstufen-lransistoren
51, 52 der jeweils andere Endstufen-Transistor
51 bzw. 52 in der Lage, Sperrfunkbionen zu übernehmen, so daß der Annäherungsschalter
mit einem Ausgang weiter betrieben werden kann.
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Jedes der hier beschriebenen drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Lösung verwirklicht in einfacher Weise einen irksamen Schutz der Umschalterausgänge
gegenüber kurz- oder langzeitig auftretenden Überspannungen bzw. Überströme, so
daß der erfindungsgemäße Annäherungsschalter selbst bei kurz- oder langzeitiger
Durchschaltung beider Endstufen-lransistoren nicht zerstört wird. Der Annäherungsschalter
arbeitet zuverlässig in einem sehr großen Spannungsbereich von ca. 10 bis ca. 30
V und einem Laststrom, der größer oder gleich 100 mA ist. Der geringe Leerlaufstrom
ermöglicht den Anschluß mehrerer Annäherungsschalter an nur ein Netzgerät geringer
Leistung. Die geringe Störempfindlichkeit und das exakte Arbeiten selbst unter ungünstigen
Betriebsbedingungen zeichnen den erfindungsgemäßen Annäherungsschalter besonders
aus.
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Unabhängig von den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
von Annäherungsschaltern sind die beanspruchten Schaltungsmerkmale auch für Annäherungsschalter
mit anderen Oszillatoren bzw. iMhlern anwendbar, gleichgültig ob die zahler nach
dem induktiven, kapazitiven oder optischen Prinzip arbeiten. Auch ein optischer
Fühler mit beispielsweise einem Multivibrator sei im Sinne dieser Erfindung als
Oszillator angesehen.
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Die Schaltungsteile 11, 12, 13, 15, 16, 17 und 18 der Figuren 2 und
3 können daher durch andere Anordnungen ersetzt werden.
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Der Kondensator 14 und der Widerstand 20 bleiben jedoch Teil eventuell
abgewandelter EYhlerschaltungen, wobei es für den gleitenden Arbeitspunkt der Fühlerschaltung
insbesondere auf den Widerstand 20 ankommt.