DE3238396C2 - Elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes Schaltgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches, vorzugsweise berührungslos ar­ beitendes Schaltgerät, das über einen Außenleiter mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle und über nur einen weiteren Außenleiter mit einem An­ schluß eines Verbrauchers verbindbar ist, wobei der andere Anschluß des Verbrauchers an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle anschließbar ist, mit einem von außen beeinflußbaren Anwesenheitsindikator, mit einem von dem Anwesenheitsindikator über einen Ansteuertransistor steuerbaren elektronischen Schalter und mit einer Hilfsschaltung zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator, wobei der elektronische Schal­ ter einen Transistor oder einen Thyristor als Hilfsschalter und die Hilfs­ schaltung zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator einen dem Hilfsschalter parallelgeschalteten Konstantstromgenerator und ein Spannungsbegrenzungselement aufweist.

Elektronische Schaltgeräte der zuvor beschriebenen Art sind kontaktlos ausgeführt und werden in zunehmendem Maße anstelle von elektrischen, mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgeführt sind, in elektrischen Meß-, Steuer- und Regelkreisen verwendet. Das gilt insbe­ sondere für sogenannte Annäherungsschalter, d. h. für elektronische Schalt­ geräte, die berührungslos arbeiten. Mit solchen Annäherungsschaltern wird indiziert, ob sich ein Beeinflussungselement, für das der entsprechende Annäherungsschalter sensitiv ist, dem Annäherungsschalter hinreichend weit genähert hat. Hat sich nämlich ein Beeinflussungselement, für das der entsprechende Annäherungsschalter sensitiv ist, dem Anwesenheitsindikator hinreichend weit genähert, so steuert der Anwesenheitsindikator den elek­ tronischen Schalter um, d. h. bei einem als Schließer ausgeführten Schalt­ gerät wird der nichtleitende elektronische Schalter nunmehr leitend, während bei einem als Öffner ausgeführten Schaltgerät der leitende elek­ tronische Schalter nunmehr sperrt. (Mit Schaltgeräten der in Rede stehen­ den Art kann auch indiziert werden, ob eine physikalische Größe eines Beeinflussungsmediums, für die das Schaltgerät sensitiv ist, einen ent­ sprechenden Wert hat.)

Wesentlicher Bestandteil von elektronischen Schaltgeräten der zuvor be­ schriebenen Art ist also u. a. der von außen beeinflußbare Anwesenheits­ indikator. Als Anwesenheitsindikator kann z. B. ein induktiv oder kapazi­ tiv beeinflußbarer Oszillator vorgesehen sein; es handelt sich dann um induktive oder kapazitive Annäherungsschalter (vgl. z. B. die deutschen Offenlegungsschriften bzw. Auslegeschriften bzw. Patentschriften 19 51 137, 19 66 178, 19 66 213, 20 36 840, 21 27 956, 22 03 038, 22 03 039, 22 03 040, 22 03 906, 23 30 233, 23 31 732, 23 56 490, 26 13 423, 26 16 265, 26 16 773, 26 28 427, 27 11 877 und 27 44 785). Als Anwesenheitsindikator kann z. B. auch ein Fotowiderstand, eine Fotodiode oder ein Fototransistor vorgese­ hen sein; es handelt sich dann um optoelektronische Annäherungsschalter (vgl. z. B. die deutsche Offenlegungsschrift 28 24 582).

Bei induktiven Annäherungsschaltern gilt für den Oszillator, solange ein Metallteil einen vorgegebenen Abstand noch nicht erreicht hat, K · V = 1 mit K = Rückkopplungsfaktor und V = Verstärkungsfaktor des Oszillators, d. h. der Oszillator schwingt. Erreicht das entsprechende Metallteil den vorgeschriebenen Abstand, so führt die zunehmende Bedämpfung des Oszil­ lators zu einer Verringerung des Verstärkungsfaktors V, so daß K · V < 1 wird, d. h. der Oszillator hört auf zu schwingen. Bei kapazitiven Annähe­ rungsschaltern gilt für den Oszillator, solange ein Ansprechkörper die Kapazität zwischen einer Ansprechelektrode und einer Gegenelektrode noch nicht hinreichend vergrößert hat, also einen vorgegebenen Abstand noch nicht erreicht hat, K · V < 1, d. h. der Oszillator schwingt nicht. Erreicht der Ansprechkörper den vorgegebenen Abstand, so führt die stei­ gende Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Gegenelektrode zu einer Vergrößerung des Rückkopplungsfaktors K, so daß K · V = 1 wird, d. h. der Oszillator beginnt zu schwingen. Bei beiden Ausführungsformen wird abhängig von den unterschiedlichen Zuständen des Oszillators der elektronische Schalter, z. B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac, gesteuert.

Optoelektronische Annäherungsschalter weisen einen Lichtsender und einen Lichtempfänger auf und werden auch als Lichtschranken bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen einem Lichtschrankentyp, bei dem der Lichtsen­ der und der Lichtempfänger auf entgegengesetzten Seiten einer Überwachungs­ strecke angeordnet sind, und einem Lichtschrankentyp, bei dem der Licht­ sender und der Lichtempfänger am gleichen Ende einer Überwachungsstrecke angeordnet sind, während ein am anderen Ende der Überwachungsstrecke an­ geordneter Reflektor den vom Lichtsender ausgehenden Lichtstrahl zum Lichtempfänger zurückreflektiert. In beiden fällen spricht der Anwesen­ heitsindikator an, wenn der normalerweise vom Lichtsender zum Lichtemp­ fänger gelangende Lichtstrahl durch ein in die Überwachungsstrecke gelangtes Beeinflussungselement unterbrochen wird. Es gibt jedoch auch Lichtschranken des zuletzt beschriebenen Lichtschrankentyps, bei dem der vom Lichtsender kommende Lichtstrahl nur durch ein entsprechendes Beein­ flussungselement zum Lichtempfänger zurückreflektiert wird.

Elektronische, berührungslos arbeitende Schaltgeräte sind anfangs mit einer Reihe von Problemen behaftet gewesen, - gemessen an elektrischen, mechanisch betätigten Schaltgeräten -, nämlich u. a. mit den Problemen "Erzeugung einer Speisespannung für den Oszillator", "Ausbildung des Oszillators", "Einschaltimpulsverhinderung", "Kurzschlußfestigkeit". Mit diesen Problemen und deren Lösungen (und mit anderen bei elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgeräten relevanten Problemen und deren Lösungen) befassen sich z. B. die deutschen Offenlegungsschriften bzw. Auslegeschriften bzw. Patentschriften 19 51 137, 19 66 178, 19 66 213, 20 36 840, 21 27 956, 22 03 038, 22 03 039, 22 03 040, 22 03 906, 23 30 233, 23 31 732, 23 56 490, 26 13 423, 26 16 265, 26 16 773, 26 28 427, 27 11 877, 27 44 785, 29 43 911, 30 04 829, 30 38 102, 30 38 141 und 30 38 692.

Bei elektronischen Schaltgeräten, die über einen Außenleiter mit einem Pol einer Spannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers verbindbar sind, ist die Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator und ggf. den Schaltver­ stärker nicht problemlos, weil ja sowohl im leitenden Zustand als auch im gesperrten Zustand des Schaltgerätes die Hilfsspannung erzeugt werden muß, - die einen Hilfsstrom zur Folge hat, so daß letzten Endes einem solchen Schaltgerät im leitenden Zustand und im gesperrten Zustand eine elektrische Hilfsleistung zugeführt werden muß (Hilfsleistung als Pro­ dukt aus Hilfsspannung und Hilfsstrom). Von ihrer Funktion als Schaltge­ räte her soll aber bei den in Rede stehenden elektronischen Schaltgeräten im leitenden Zustand praktisch kein Spannungsabfall auftreten und im ge­ sperrten Zustand praktisch kein Reststrom fließen. Da dann, wenn bei Schaltgeräten der in Rede stehenden Art im leitenden Zustand kein Span­ nungsabfall auftritt, auch keine Hilfsspannung gewonnen werden kann und dann, wenn im gesperrten Zustand kein Reststrom fließt, auch kein Hilfs­ strom gewonnen werden kann, gilt für alle elektronischen Schaltgeräte mit nur zwei Außenleitern, daß im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt und im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt.

Wie eingangs ausgeführt, weist bei dem bekannten Schaltgerät, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. Fig. 3 der DE-AS 23 30 233), die Hilfsschaltung zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator einen dem Hilfsschalter parallelgeschalteten Konstantstromgenerator und ein Span­ nungsbegrenzungselement auf; als Spannungsbegrenzungselement ist eine Zenerdiode vorgesehen. Im gesperrten Zustand des Schaltgerätes wird dem Anwesenheitsindikator der benötigte Hilfsstrom über den Konstantstromge­ nerator zugeführt und das Spannungsbegrenzungselement sorgt dafür, daß am Anwesenheitsindikator die erforderliche Hilfsspannung ansteht. Im lei­ tenden Zustand des Schaltgeräts wird dem Anwesenheitsindikator der benö­ tigte Hilfsstrom über den Hilfsschalter zugeführt; das Spannungsbegren­ zungselement sorgt wieder dafür, daß am Anwesenheitsindikator die erfor­ derliche Hilfsspannung ansteht.

Bei dem bekannten elektronischen Schaltgerät, von dem die Erfindung aus­ geht, ist als Hilfsschalter ein Thyristor vorgesehen. Folglich ist dieses Schaltgerät nicht in Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle verwend­ bar. Beim Anschluß an eine Gleichspannungsquelle würde nämlich der elek­ tronische Schalter, der aus dem Thyristor als Hilfsschalter und einem weiteren Thyristor besteht, einmal in den leitenden Zustand gesteuert, durch den Anwesenheitsindikator nicht mehr in den nichtleitenden Zustand gesteuert werden können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte elektronische Schaltgerät, von dem die Erfindung ausgeht, so auszugestalten und weiter­ zubilden, daß auch beim Anschluß an eine Gleichspannungsquelle der elek­ tronische Schalter durch den Anwesenheitsindikator in den nichtleitenden Zustand gesteuert werden kann und daß im leitenden Zustand des elektroni­ schen Schalters bei einem möglichst geringen Spannungsabfall am Schaltge­ rät insgesamt die Erzeugung der für den Anwesenheitsindikator notwendigen Hilfsspannung sichergestellt ist.

Das erfindungsgemäße Schaltgerät, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zu der Emitter-Kollektor- Strecke des als Hilfsschalter vorgesehenen Transistors bzw. zu der Anoden- Zündelektroden-Strecke des als Hilfsschalter vorgesehenen Thyristors die Emitter-Kollektor-Strecke des Ansteuertransistors in Reihe geschaltet ist, daß ein Ergänzungstransistor vorgesehen ist, daß die Basis des als Hilfs­ schalter vorgesehenen Transistors bzw. die Kathode des als Hilfsschalter vorgesehenen Thyristors an den Kollektor des Ergänzungstransistors, der Kollektor des Ansteuertransistors an die Basis des Ergänzungstransistors, der Emitter des als Hilfsschalter vorgesehenen Transistors bzw. die Anode des als Hilfsschalter vorgesehenen Thyristors an den Pluspol der Gleich­ spannungsquelle und der Emitter des Ergänzungstransistors an den Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und daß der Hilfsschalter, der Ansteuertransistor und der Ergänzungstransistor zusammen den elektro­ nischen Schalter darstellen und im leitenden Zustand der Hauptteil des Laststroms über die Emitter-Basis-Strecke des als Hilfsschalter vorgese­ henen Transistors oder über die Anoden-Kathoden-Strecke des als Hilfs­ schalter vorgesehenen Thyristors fließt und aus einem Hilfsteil des Last­ stroms die Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator gewonnen wird.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät auszugestalten und weiterzubilden, was im fol­ genden anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeich­ nung erläutert werden soll; es zeigt

Fig. 1 stark schematisiert, das Schaltbild einer ersten Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes,

Fig. 2 detaillierter als in Fig. 1, das Schaltbild einer zweiten Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Schaltbild einer dritten Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes.

Die in den Figuren dargestellten elektronischen Schaltgeräte 1 arbeiten berührungslos und sind jeweils, was in den Figuren nicht dargestellt ist, über einen Außenleiter mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers ver­ bindbar, wobei der andere Anschluß des Verbrauchers an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle anschließbar ist; es handelt sich also um Gleich­ spannungsgeräte mit nur zwei Außenleitern.

In ihrem wesentlichen Aufbau bestehen die in den Figuren dargestellten Schaltgeräte 1 aus einem von außen beeinflußbaren Anwesenheitsindikator 2, z. B., wie in Fig. 2 angedeutet, einem Oszillator, aus einem von dem An­ wesenheitsindikator 2 über einen Schaltverstärker 3 steuerbaren elektro­ nischen Schalter 4 und aus einer Hilfsschaltung 5 zur Erzeugung einer Hilfs­ spannung für den Anwesenheitsindikator 2 und den Schaltverstärker 3. Die Hilfsschaltung 5 zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsin­ dikator 2 und den Schaltverstärker 3 weist einen Konstantstromgenerator 6 und ein Spannungsbegrenzungselement 7 auf.

Wie die Figuren zeigen, ist dem Konstantstromgenerator 6 ein Transistor oder ein Thyristor als Hilfsschalter 8 parallelgeschaltet, ist der Hilfs­ schalter 8 von dem Anwesenheitsindikator 2 - über den Schaltverstärker 3 - steuerbar, fließt im leitenden Zustand der Hauptteil des Laststroms über die Emitter-Basis-Strecke des als Hilfsschalter 8 vorgesehenen Transistors oder über die Anoden-Kathoden-Strecke des als Hilfsschalter 8 vorgesehenen Thyristors und wird aus einem Hilfsteil des Laststroms die Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator 2 und den Schaltverstärker 3 gewonnen.

In allen dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Konstantstromge­ nerator 6 aus einem in Emitterschaltung betriebenen Generatortransistor 9, einem an die Basis 10 und an den Kollektor 11 angeschlossenen Strombegren­ zungswiderstand 12, dem an die Basis 10 des Generatortransistors 9 ange­ schlossenen Spannungsbegrenzungselement 7, in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Zenerdiode, und einer an den Emitter 13 des Generatortransistors 9 angeschlossenen Emitterlast 14.

Nur angedeutet ist, daß in allen Ausführungsbeispielen des erfindungsge­ mäßen Schaltgerätes 1 die Emitterlast 14 teilweise als monolithisch inte­ grierter Schaltkreis 15 ausgeführt ist, in dem teilweise die Bauelemente des Anwesenheitsindikators 2 und des Schaltverstärkers 3 verwirklicht sind.

Während im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Hilfsschalter 8 erkennbar dem Konstantstromgenerator 6 parallelgeschaltet ist, ist in den Ausführungs­ beispielen nach den Fig. 2 und 3 der Hilfsschalter 8 an den integrierten Schaltkreis 15 angeschlossen und über den integrierten Schaltkreis 15 steuerbar.

Den dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen elektroni­ schen Schaltgerätes 1 ist gemeinsam, daß der Hilfsschalter 8 über einen Ansteuertransistor 16 steuerbar ist.

In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist als Hilfsschalter 8 ein Transistor vorgesehen. Dabei ist die Ausführungsform konkret so realisiert, daß zu der Emitter-Kollektor-Strecke des als Hilfsschalter 8 vorgesehenen Transistors die Emitter-Kollektor-Strecke des Ansteuertransistors 16 in Reihe geschaltet ist, ein Ergänzungstransi­ stor 17 vorgesehen ist sowie die Basis 18 des als Hilfsschalter 8 vorge­ sehenen Transistors an den Kollektor 19 des Ergänzungstransistors 17 und der Kollektor 20 des Ansteuertransistors 16 an die Basis 21 des Ergänzungs­ transistors 17 angeschlossen sind, - während der Emitter 22 des als Hilfs­ schalter 8 vorgesehenen Transistors an den Pluspol der Gleichspannungs­ quelle und der Emitter 23 des Ergänzungstransistors 17 an den Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und der Hilfsschalter 8, der Ansteuertransistor 16 und der Ergänzungstransistor 17 zusammen den elek­ tronischen Schalter 4 darstellen.

Im übrigen zeigt insbesondere die Fig. 2 Schaltungsdetails des Aufbaus eines elektronischen Schaltgerätes, die hier der weitergehenden Erläute­ rung nicht bedürfen, insbesondere auch deshalb, weil die detailliert dar­ gestellte Schaltung mit den einzelnen Bauelementen ohne weiteres nachvoll­ ziehbar ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist als Hilfsschalter 8 ein Thyristor vorgesehen. Das hat den Vorteil, daß das so ausgeführte erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät 1 "verpolt" werden kann, ohne daß es eines be­ sonderen Verpolungsschuttes bedarf. Im übrigen entspricht das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes 1 weitgehend dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Zur Funktionsweise der in den Figuren dargestellten erfindungsgemäßen elek­ tronischen Schaltgeräte 1 ist mit Bezug auf die Fig. 1 noch zu sagen, daß hier durch einen innerhalb des integrierten Schaltkreises 15 angedeuteten Schalter 24 das Steuern des Hilfsschalters 8 durch den Anwesenheitsindika­ tor 2 - über den Schaltverstärker 3 - angesprochen ist. Ist der Schalter 24 geöffnet, so sind der Hilfsschalter 8, der Ansteuertransistor 16 und der Ergänzungstransistor 17 sperrend. Ist dagegen der Schalter 24 geschlossen, so sind der Hilfsschalter 8, der Ansteuertransistor 16 und der Ergänzungs­ transistor 17 leitend.

Allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß im leitenden Zustand der Hauptteil des Laststroms über die Emitter-Basis-Strecke des als Hilfsschalter 8 vorgesehenen Transistors (Fig. 1 und 2) bzw. über die Anoden-Kathoden-Strecke des als Hilfsschalter 8 vorgesehenen Thyristors (Fig. 3) fließt und aus einem Hilfsteil des Laststroms die Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator 2 und den Schaltverstärker 3 gewonnen wird. Dabei ist zur Gewinnung der Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator 2 und den Schaltverstärker 3 aus einem Hilfsteil des Laststroms eine Zener­ diode 25 vorgesehen.

Claims (5)

1. Elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes Schaltgerät, das über einen Außenleiter mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle und über nur einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers ver­ bindbar ist, wobei der andere Anschluß des Verbrauchers an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle anschließbar ist, mit einem von außen beeinfluß­ baren Anwesenheitsindikator, mit einem von dem Anwesenheitsindikator über einen Ansteuertransistor steuerbaren elektronischen Schalter und mit einer Hilfsschaltung zur Erzeugung einer Hilfsspannung für den Anwesenheitsindi­ kator, wobei der elektronische Schalter einen Transistor oder einen Thyri­ stor als Hilfsschalter und die Hilfsschaltung zur Erzeugung einer Hilfs­ spannung für den Anwesenheitsindikator einen dem Hilfsschalter parallelge­ schalteten Konstantstromgenerator und ein Spannungsbegrenzungselement auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Emitter-Kollektor-Strecke des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Transistors bzw. zu der Anoden-Zündelek­ troden-Strecke des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Thyristors die Emit­ ter-Kollektor-Strecke des Ansteuertransistors (16) in Reihe geschaltet ist, daß ein Ergänzungstransistor (17) vorgesehen ist, daß die Basis (18) des Hilfsschalter (8) vorgesehenen Transistors bzw. die Kathode des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Thyristors an den Kollektor (19) des Ergän­ zungstransistors (17), der Kollektor (20) des Ansteuertransistors (16) an die Basis (21) des Ergänzungstransistors (17), der Emitter (22) des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Transistors bzw. die Anode des als Hilfs­ schalter (8) vorgesehenen Thyristors an den Pluspol der Gleichspannungs­ quelle und der Emitter (23) des Ergänzungstransistors (17) an den Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und daß der Hilfsschalter (8), der Ansteuertransistor (16) und der Ergänzungstransistor (17) zusammen den elektronischen Schalter (4) darstellen und im leitenden Zustand der Haupt­ teil des Laststroms über die Emitter-Basis-Strecke des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Transistors oder über die Anoden-Kathoden-Strecke des als Hilfsschalter (8) vorgesehenen Thyristors fließt und aus einem Hilfsteil des Laststroms die Hilfsspannung für den Anwesenheitsindikator (2) gewonnen wird.

2. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstromgenerator (6) aus einem in Emitterschaltung betriebe­ nen Generatortransistor (9), einem an die Basis (10) und an den Kollek­ tor (11) des Generatortransistors (9) angeschlossenen Strombegrenzungs­ widerstand (12), dem an die Basis (10) des Generatortransistors (9) ange­ schlossenen Spannungsbegrenzungselement (7), z. B. einer Zenerdiode, und einer an den Emitter (13) des Generatortransistors (9) angeschlossenen Emitterlast (14) besteht.

3. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterlast (14) teilweise als monolithisch integrierter Schaltkreis (15) ausgeführt ist und in dem integrierten Schaltkreis (15) teilweise die Bau­ elemente des Anwesenheitsindikators (2) und ggf. des Schaltverstärkers (3) verwirklicht sind.

4. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (8) an den integrierten Schaltkreis (15) angeschlossen ist.

5. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hilfsschalter (8) über den integrierten Schaltkreis (15) steuerbar ist.