DE3836467A1

DE3836467A1 - Contactless switching device

Info

Publication number: DE3836467A1
Application number: DE19883836467
Authority: DE
Inventors: Peter Marre
Original assignee: Elan Schaltelemente GmbH and Co KG
Current assignee: ELAN SCHALTELEMENTE GMBH & CO. KG, 35435 WETTENBER
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1990-05-03
Anticipated expiration: 2008-10-27
Also published as: DE3836467C2

Abstract

The subject of the invention is a switching device for security (safety) functions, having an optical transmission section (3) as an active zone. An oscillator, and a light source supplied by the latter are located at one end of the transmission section (3). An optical sensor (9) is located at the other end of the transmission section, and a transformer (11) is connected downstream of this sensor. A relay (17) is connected to the secondary winding of the transformer (11) and is actuated when the sensor (9) is exposed to the light coming from the light source. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein berührungslos arbeitendes Schaltgerät für Sicherheitsfunktionen mit einer optischen Übertra gungsstrecke als aktiver Zone.The invention relates to a contactless working Switching device for safety functions with an optical transmission distance as an active zone.

Berührungslos wirkende Positionsschalter werden vielfach Zur Stellungsüberwachung beweglicher Einrichtungen verwendet. Derartige Positionsschalter enthalten jeweils eine aktive Zone, in der Feldveränderungen eines optischen, magnetischen, elektrostatischen, akustischen oder anderen Felds einen Sensor zum Ansprechen bringen, der einen Schaltvorgang auslöst. Die jeweilige Feldveränderung wird durch ein Gegenstück hervorgeru fen, das durch seine An- oder Abwesenheit in der aktiven Zone einen bestimmten Schaltvorgang auslösen soll.Non-contact position switches are often used Position monitoring of moving devices used. Such position switches each contain an active zone, in the field changes of an optical, magnetic, electrostatic, acoustic or other field a sensor respond which triggers a switching operation. The each field change is evoked by a counterpart fen due to its presence or absence in the active zone should trigger a certain switching operation.

Es kann vorkommen, daß berührungslos arbeitende Schaltgeräte einen Schaltvorgang auslösen, wenn im jeweiligen Schaltgerät ein technischer Defekt entsteht, ohne daß das Gegenstück eine Feld veränderung hervorruft. Bei vielen technischen Prozessen muß jedoch verhindert werden, daß durch technische Defekte in den Schaltgeräten Vorgänge ausgelöst werden, die schädlich für den Prozeß oder gefährlich für das Bedienungspersonal sind. Es muß daher gewährleistet sein, daß bei einem technischen Defekt ein bestimmter Ausgangszustand vorhanden ist, dem in der vom Schaltgerät gesteuerten Anordnung oder Vorrichtung ein für das Bedienungspersonal ungefährlicher Zustand oder ein für den Zu steuernden Prozeß unkritischer Zustand zugeordnet wird.It can happen that non-contact switching devices trigger a switching process when in the respective switching device technical defect arises without the counterpart a field causes change. For many technical processes, however, be prevented by technical defects in the Switchgear processes are triggered that are harmful to the Process or dangerous for the operating personnel. It must therefore be guaranteed that a technical defect certain initial state is present, that in the from Switching device controlled arrangement or device for that Operators safe condition or one for the zu controlling process is assigned non-critical state.

Berührungslos arbeitende Positionsschalter mit Halbleiterbauele menten erfüllen von selbst nicht die Bedingung der geforderten Sicherheit.Non-contact position switches with semiconductor components elements do not of themselves meet the condition of the required Safety.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen berührungslos arbeitenden Positionsschalter mit einer optischen Wegstrecke als aktiver Zone derart weiterzuentwickeln, daß mit einfachen Mitteln bei einem inneren Defekt zumindest von Halbleiterbauelementen und ein bestimmter Ausgangszustand erreicht wird, der dem spannungslosen Zustand bzw. Ruhezustand entspricht.The invention has for its object a non-contact working position switch with an optical path as to develop the active zone in such a way that with simple means in the event of an internal defect in at least semiconductor components and a certain initial state is reached, which the voltage-free state or idle state.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Oszil lator mit einer an einem Ende der Übertragungsstrecke angeord neten Lichtquelle verbunden ist, die Licht auf einem am anderen Ende der Übertragungsstrecke angeordneten optischen Sensor richtet, dem ein Transformator nachgeschaltet ist, an dessen Sekundärwicklung ein zwangsgeführtes Sicherheitsrelais ange schlossen ist, das bei Beaufschlagung des Sensors mit dem Licht der Lichtquelle durch die Sekundärspannung des Transformators anzieht. Bei Ausfall der Betriebsspannung des Oszillators, der Lichtquelle oder des optischen Sensors zieht das Relais nicht an. Das bei dem Positionsschalter verwendete Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignal wird vom optischen Sensor bei einem Defekt unabhängig davon nicht weitergeleitet, ob der Defekt im leitenden oder sperrenden Zustand des Sensors eintritt. Bei einem inneren Defekt des Schaltgerätes in den vor dem Relais angeordneten Schaltungsteilen ergibt sich ein Schaltzustand, der demjenigen Schaltzustand entspricht, der bei einem Gegenstück zwischen Lichtquelle und Sensor oder bei stromlosem Positionsschalter auftritt. Es kann also nicht vorkommen, daß bei einem Defekt in den vor dem Relais liegenden Schaltungsteilen ein Schaltzustand entsteht, der dem bei freier optischer Übertragungsstrecke und ungehindertem Empfang des Lichtsignals der Lichtquelle auftre tenden Schaltzustand entspricht. Durch die Verwendung eines Wechselsignals wird überdies eine Unempfindlichkeit gegen Gleich licht erreicht, d.h. der Positionsschalter ist gegen Störeinflüsse geschützt.The object is achieved in that an Oszil lator with one arranged at one end of the transmission path Neten light source is connected, the light on one another Optical sensor arranged at the end of the transmission path directs, which is followed by a transformer, at the Secondary winding a positively driven safety relay is closed when the sensor is exposed to the light the light source through the secondary voltage of the transformer attracts. If the operating voltage of the oscillator fails, the The light source or the optical sensor does not attract the relay. The AC voltage or AC signal is from the optical sensor in the event of a defect not forwarded regardless of whether the defect in the senior or blocking state of the sensor occurs. With an inner Defect of the switching device in the arranged in front of the relay Circuit parts result in a switching state that the one Switching state corresponds to that of a counterpart between Light source and sensor or when the position switch is de-energized occurs. So it can not happen that in the event of a defect in the circuit parts in front of the relay a switching state arises that with the free optical transmission path and unimpeded reception of the light signal from the light source corresponds to the switching state. By using a Alternating signal also becomes insensitive to equals light reached, i.e. the position switch is against interference protected.

Vorzugsweise ist der Oszillator ein periodischer Rechteckimpulse erzeugender Taktimpulsgeber. Die Lichtquelle wird nur während der Impulsdauern mit Energie versorgt, so daß während der Impulspausen eine Abkühlung eintreten kann. Es ist daher mög lich, bei kurzen Impulsdauern die Energiezufuhr zu erhöhen, um die Lichtintensität und damit die Reichweite zu steigern.The oscillator is preferably a periodic rectangular pulse generating clock pulse generator. The light source is only used during the pulse duration is energized so that during the Cooling breaks can occur. It is therefore possible Lich, with short pulse durations to increase the energy supply to to increase the light intensity and thus the range.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle eine Lumineszenzdiode für infrarote Strahlung. Vom Schaltgerät wird kein sichtbares Licht erzeugt, das die Aufmerksamkeit des Bedie nungspersonal auf sich zieht und von anderen Vorgängen ablenkt.In a preferred embodiment, the light source is one Luminescent diode for infrared radiation. From the switching device no visible light that draws the attention of the operator attracting personnel and distracting them from other processes.

Eine Zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß als op tischer Sensor ein Fototransistor vorgesehen ist, dessen Emitter- Kollektor-Strecke in Reihe mit der Primärwicklung des Transfor mators an die Bohle einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.A useful embodiment is that as op a photo transistor is provided, the emitter Collector section in series with the primary winding of the Transfor mators connected to the screed of a DC voltage source is. This embodiment is characterized by a special simple structure.

Wenn ein Wechselspannungsrelais mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden wird, ergibt sich ein sehr einfacher schaltungstechnischer Aufbau mit wenigen elektrischen Komponen ten. Falls kein Wechselspannungsrelais eingesetzt werden soll, kann an die Sekundärwicklung ein Gleichrichter, z.B. ein Brüc kengleichrichter, angeschlossen werden, mit dem ein Gleichspan nungsrelais verbunden wird. Sowohl Wechselspannungs- als auch Gleichspannungsrelais sind mit einem hohen Grad an Zuverlässig keit kommerziell verfügbar. Wenn auch noch eine Sicherheit gegen den Ausfall des einen Relais erzielt werden soll, kann eine redun dante Anordnung mit zwei Sensoren und entsprechender Anzahl der nachgeschalteten Bauteile verwendet werden.If an AC relay is connected to the secondary winding of the Transformer is connected, results in a very simple circuit design with few electrical components If no AC relay is to be used, can a rectifier, e.g. a bridge rectifier, can be connected with a DC chip voltage relay is connected. Both AC and DC relays are reliable with a high degree commercially available. If still a security against the failure of one relay should be achieved, a redun dante arrangement with two sensors and corresponding number of the downstream components are used.

Um den Einfluß von störendem Wechsellicht auszuschalten, kann dem optischen Sensor ein auf die Frequenz der Taktimpulse eingestellter Bandpaß nachgeschaltet werden. Beispielsweise ist es möglich, einen Filter unter Ausnutzung der Induktivität des Transformators vorzusehen.To switch off the influence of disturbing alternating light, you can the optical sensor on the frequency of the clock pulses set bandpass can be added. For example it is possible to use a filter using the inductance of the To provide transformers.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigen:The invention is described below with reference to a drawing illustrated embodiment described in detail, from the there are further details, features and advantages. Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild eines berührungslos arbeitenden Schaltgerätes und Fig. 1 is a circuit diagram of a non-contact switching device and

Fig. 2 ein Schaltbild eines Teils einer anderen Ausführungsform eines berührungslos arbeitenden Schaltgerätes. Fig. 2 is a circuit diagram of part of another embodiment of a non-contact switching device.

Ein berührungslos arbeitendes Schaltgerät enthält ein Sendeteil (1) und ein Empfangsteil (2), die jeweils an den Enden einer optischen Übertragungsstrecke (3) angeordnet sind. Im Sendeteil befindet sich ein periodischer Impulse wie Rechteckimpulse erzeu gender Taktimpulsgeber (4), der Betriebsspannungsanschlüsse (5, 6) für den Anschluß an die Pole einer Gleichstromquelle aufweist, die nicht dargestellt ist. Der Betriebsspannungsanschluß (6) ist z.B. an Masse gelegt. Mit dem Ausgang (7) des Taktimpulsgebers (4) ist eine Lumineszenzdiode (8) für infrarote Strahlung verbun den.A contactlessly operating switching device contains a transmitting part ( 1 ) and a receiving part ( 2 ), which are each arranged at the ends of an optical transmission path ( 3 ). In the transmitting section there is a periodic pulse such as a square pulse generating clock pulse generator ( 4 ) which has operating voltage connections ( 5 , 6 ) for connection to the poles of a direct current source, which is not shown. The operating voltage connection ( 6 ) is grounded, for example. With the output ( 7 ) of the clock pulse generator ( 4 ) a luminescence diode ( 8 ) for infrared radiation is the verbun.

Die Lumineszenzdiode (8) sendet über eine nicht näher darge stellte Optik ein Lichtbündel aus, das auf einen am anderen Ende der optischen Übertragungsstrecke angeordneten optischen Sensor (9) gerichtet ist, der ebenfalls eine Optik aufweisen kann. Bei dem optischen Sensor (9) handelt es sich um einen Fototransistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit der Primärwicklung (10) eines Transformators (11) zwischen zwei Anschlüssen (12), (13) für eine Betriebsgleichspannung angeordnet ist. Die Be triebsgleichspannung wird zweckmäßigerweise von der gleichen Gleichstromquelle erzeugt wie die Betriebsgleichspannung für das Sendeteil (1). Parallel zu der Primärwicklung (10) ist eine bezüg lich der Betriebsgleichspannung in Sperrichtung gepolte Diode (14) gelegt. Der Anschluß (12) ist ebenso wie der Anschluß (6) an Masse angeschlossen. Die Sekundärwicklung (15) des Trans formators (11) ist mit der Spule (16) eines Relais (17) verbun den, das zumindest einen Arbeitskontakt hat.The luminescence diode ( 8 ) emits a light beam via an optical system (not shown in more detail) which is directed towards an optical sensor ( 9 ) which is arranged at the other end of the optical transmission path and which can also have an optical system. The optical sensor ( 9 ) is a phototransistor, the emitter-collector path of which is arranged in series with the primary winding ( 10 ) of a transformer ( 11 ) between two connections ( 12 ), ( 13 ) for a DC operating voltage. The operating DC voltage is expediently generated by the same DC source as the operating DC voltage for the transmitting part ( 1 ). Parallel to the primary winding ( 10 ) is a bezüg Lich the operating DC voltage in the reverse direction polarized diode ( 14 ). The connection ( 12 ), like the connection ( 6 ), is connected to ground. The secondary winding ( 15 ) of the transformer ( 11 ) is connected to the coil ( 16 ) of a relay ( 17 ) which has at least one normally open contact.

Wenn das Sendeteil (1) und das Empfangsteil (2) beispielsweise über einen nicht dargestellten Schalter die Betriebsgleichspannung angelegt wird, erzeugt der Taktgeber (4) eine Taktimpulsfolge, die die Lumineszenzdiode (8) periodisch beaufschlagt. Die Lumi neszenzdiode (8) sendet entsprechend der Taktfrequenz infrarotes Licht über die Übertragungsstrecke (3) zum Sensor (9). Wenn sich zwischen der Lumineszenzdiode (8) und dem Sensor (9) nicht das Gegenstück (22) des Positionsschalters befindet, wird die Emitter-Kollektor-Strecke des Fototransistors, der als Sensor (9) verwendet wird, im Takt der Taktfrequenz leitend gesteuert. Es fließt dann ein Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke und die Primärwicklung (10). Der Strom induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung (15), die so bemessen ist, daß die vom Strom hervorgerufene Spannung ausreicht, um das Relais (17) zum Ansprechen zu bringen. Durch das Ansprechen des Relais (17) schließt sich der Arbeitskontakt (18). Wenn das Gegenstück (22) zwischen der Lumineszenzdiode (8) und dem Sensor (9) diesen gegen die Infrarotstrahlung abdeckt, ist der Fototransistor nicht leitend. Daher wird in der Sekundärwicklung (15) keine Spannung induziert, daß das Relais (17) abgefallen ist. Wenn keine Be triebsspannung vorhanden ist, ist das Relais (17) ebenfalls abge fallen.If the transmitting part ( 1 ) and the receiving part ( 2 ), for example, the operating DC voltage is applied via a switch (not shown), the clock generator ( 4 ) generates a clock pulse sequence which periodically acts on the luminescent diode ( 8 ). The luminescent diode ( 8 ) sends infrared light over the transmission path ( 3 ) to the sensor ( 9 ) according to the clock frequency. If the counterpart ( 22 ) of the position switch is not between the luminescence diode ( 8 ) and the sensor ( 9 ), the emitter-collector path of the phototransistor, which is used as the sensor ( 9 ), is controlled to be conductive in time with the clock frequency. A current then flows over the emitter-collector path and the primary winding ( 10 ). The current induces a voltage in the secondary winding ( 15 ) which is dimensioned such that the voltage caused by the current is sufficient to trigger the relay ( 17 ). When the relay ( 17 ) responds, the normally open contact ( 18 ) closes. If the counterpart ( 22 ) between the luminescence diode ( 8 ) and the sensor ( 9 ) covers it against the infrared radiation, the phototransistor is not conductive. Therefore, no voltage is induced in the secondary winding ( 15 ) that the relay ( 17 ) has dropped out. If there is no operating voltage, the relay ( 17 ) is also dropped.

Bei einem Defekt im Sendeteil (1) wird keine Infrarotstrahlung im Takte des Taktgebers (4) ausgesandt. In diesem Fall ist das Relais (17) abgefallen. Auch bei einem Defekt, der vor dem Relais (17) angeordneten Schaltungsteile im Empfangsteil (2) wird keine Sekundärspannung im Transformator (11) induziert, so daß das Relais (17) abgefallen ist. Ein Defekt in der Lumineszenzdiode (8) oder im Fototransistor verhindert sowohl in leitendem Zustand als auch im nicht leitenden Zustand dieser Halbleiterbauelemente die Erzeugung oder Weiterleitung von Taktimpulsen. Die Erzeugung oder Weiterleitung von Taktimpulsen wird auch bei Leitungsunter brechungen oder Leitungskurzschlüssen im Sendeteil (1) und im Empfangsteil (2) unterbunden. Bei inneren Defekten im Sendeteil (1) oder Empfangsteil (2) ist das Relais (17) deshalb abgefallen. Dieser Zustand beruht darauf, daß die Taktimpulse nicht mehr auftreten, ohne die keine Sekundärspannung möglich ist.If there is a defect in the transmitter part ( 1 ), no infrared radiation is emitted in the cycle of the clock generator ( 4 ). In this case the relay ( 17 ) has dropped out. Even if there is a defect in the circuit parts in front of the relay ( 17 ) in the receiving part ( 2 ), no secondary voltage is induced in the transformer ( 11 ), so that the relay ( 17 ) has dropped out. A defect in the luminescence diode ( 8 ) or in the phototransistor prevents the generation or forwarding of clock pulses both in the conductive state and in the non-conductive state of these semiconductor components. The generation or forwarding of clock pulses is also prevented in the case of line interruptions or line shorts in the transmitting part ( 1 ) and in the receiving part ( 2 ). In the event of internal defects in the transmitting part ( 1 ) or receiving part ( 2 ), the relay ( 17 ) has therefore dropped out. This state is based on the fact that the clock pulses no longer occur, without which no secondary voltage is possible.

Falls kein Wechselstromrelais, sondern ein Gleichstromrelais einge setzt werden soll, kann die in Fig. 2 gezeigte Schaltung verwen det werden. Gleiche Bauelemente in den Fig. 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Sekundärwicklung (15) des Transformators (11) speist gemäß Fig. 2 einen Brückengleich richter (19), dem eine Spule (20) eines Gleichstromrelais nachge schaltet ist. Um zu verhindern, daß durch einen Kurzschluß zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung (10), (15) Gleichspannung auf die Sekundärseite gelangt, kann zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine Schirmwicklung angeordnet sein. Relais mit hoher Zuverlässigkeit sind kommerziell verfügbar. Sollten jedoch auch Relaisfehler festgestellt werden können, dann ist es zweckmäßig, Zwei Fototransistoren mit nachgeschalteten gleichen Bauelementen, also doppelt wie in Fig. 1 oder 2 darge stellt, zu verwenden. Die Kontakte der Relais werden dann in Reihe angeordnet. Es ergibt sich somit eine ausreichende Redun danz. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist zwischen dem Sensor (9) und dem Transformator (11) ein Bandpaß (21) ange ordnet, der auf die Frequenz des Taktgebers (8) eingestellt ist. Hierdurch lassen sich die Einwirkungen Wechsellicht ausschalten.If no AC relay, but a DC relay is to be used, the circuit shown in FIG. 2 can be used. The same components in FIGS. 1 and 2 are provided with the same reference numerals. The secondary winding ( 15 ) of the transformer ( 11 ) feeds a bridge rectifier ( 19 ) according to FIG. 2, which is switched by a coil ( 20 ) of a DC relay. To prevent a short circuit between the primary and secondary windings ( 10 ), ( 15 ) from reaching the secondary side, a shield winding can be arranged between the primary and secondary windings. Relays with high reliability are commercially available. However, if relay faults can also be determined, then it is expedient to use two phototransistors with the same components connected downstream, that is to say twice as shown in FIG. 1 or 2. The contacts of the relays are then arranged in series. There is therefore sufficient redundancy. In the arrangement shown in Fig. 2, a bandpass filter ( 21 ) is arranged between the sensor ( 9 ) and the transformer ( 11 ), which is set to the frequency of the clock generator ( 8 ). This enables the effects of alternating light to be switched off.

Die oben beschriebene Anordnung arbeitet bis zu dem Relais (17) bzw. (20) nach dem Failsafe-Prinzip. Auch bei einer Störung geht das Schaltgerät in einen Zustand über, der dem abgeschalteten, also einem ungefährlichen Zustand entspricht. Der Ausfall oder die Störung eines oder mehrerer Bauelemente des Schaltgerätes hat somit keine gefährliche Auswirkung. The arrangement described above works up to the relay ( 17 ) or ( 20 ) according to the failsafe principle. Even in the event of a fault, the switching device changes to a state which corresponds to the switched-off, that is to say a safe state. The failure or malfunction of one or more components of the switching device therefore has no dangerous effect.

Die optische Übertragungsstrecke (3) kann Lichtwellenleiter mit einem freien Raum für das Gegenstück (22) des Schaltgerätes aufweisen. Ebenso ist es möglich, Sendeteil (1) und Empfangsteil (2) in einem einzigen Gehäuse am Ende der Übertragungsstrecke anzuordnen, die auf einer Seite einen Reflektor, z.B. einen Retroreflektor, für die Umlenkung der Strahlung enthält.The optical transmission path ( 3 ) can have optical fibers with a free space for the counterpart ( 22 ) of the switching device. It is also possible to arrange the transmitting part ( 1 ) and receiving part ( 2 ) in a single housing at the end of the transmission path, which on one side contains a reflector, for example a retroreflector, for deflecting the radiation.

Claims

1. Non-contact switching device for security functions with an optical transmission path as an active zone, characterized in that an oscillator is connected to a light source arranged at one end of the optical transmission path ( 3 ), which light is arranged on a path at the other end of the transmission path, Optical sensor ( 9 ), which is followed by a transformer ( 11 ), on the secondary winding ( 15 ) of which a relay ( 17 ) is connected, which, when the sensor ( 9 ) is acted upon by the light of the light source, by the secondary voltage of the transformer ( 11 ) attracts.

2. Switch according to claim 1, characterized in that the oscillator is a periodic pulse such as rectangular pulse generator ( 4 ).

3. Switching device according to claim 1 or 2, characterized in that the light source is a luminescent diode ( 8 ) for infrared radiation.

4. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the optical sensor ( 9 ) via a bandpass ( 21 ) is connected to the transformer ( 11 ).

5. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that a shield winding is arranged between the primary and the secondary winding ( 10 , 15 ) of the transformer ( 11 ).

6. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the secondary winding ( 15 ) of the transformer ( 11 ) via a rectifier ( 19 ) with the coil ( 20 ) of a DC relay is connected.

7. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that two sensors ( 9 ) with downstream transformers ( 11 ) and relays ( 17 ) are provided.