DE4041823A1 - Zweiadriger detektor mit regulierter spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiadrigen Detektor mit einem Fühler, der ein Ausgangssignal mit zwei Zuständen liefert, und einer Umschaltvorrichtung, die in Abhängigkeit vom Zu­ stand des Ausgangssignals eine Last umschaltet, die mit einer den Detektor speisenden Spannungsquelle in Reihe ge­ schaltet ist.

Derartige Detektoren werden zweiadrig genannt, da sie mit der Last und mit der Spannungsquelle nur über zwei Leiter verbunden sind und mit der Last in Reihe gespeist werden. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Näherungsfühler oder dergl., deren Abtastgröße die Merkmale einer Schwingung ändert.

Zur Verbesserung der Leistungen eines derartigen Detektors bemüht man sich insbesondere um eine Minimierung einerseits des Reststroms, den er verbraucht, wenn er den Betrieb der Last unterbricht (Abschaltzustand oder Off-Zustand), und andererseits der Verlustspannung, die er erzeugt, wenn er den Betrieb der Last bewirkt (Einschaltzustand oder On-Zu­ stand). Ferner ist es wünschenswert, die dem Fühler von der Spannungsquelle gelieferte Spannung insbesondere in den Über­ gangsphasen zu regulieren, in denen der Detektor vom Ein­ schaltzustand in den Ausschaltzustand und umgekehrt über­ geht.

Ziel der Erfindung ist es insbesondere, bei einem derartigen Detektor eine optimale Regulierung der dem Fühler insbesonde­ re in der Einschalt- und der Ausschaltphase gelieferten Span­ nung zu erreichen und die Anzahl und Abmessungen der zur Her­ stellung eines solchen Detektors verwendeten Bauelemente zu verringern.

Erfindungsgemäß besitzt die Umschaltvorrichtung

• - eine Spannungsregulierungs-Reihenschaltung,
• - eine Spannungsregulierungs-Parallelschaltung,
• - eine Umschaltschaltung, die das Ausgangssignal des Fühlers aufnimmt, um abwechselnd die Regulierungs-Serienschaltung in einem ersten Zustand des Signals und die Regulierungs- Parallelschaltung in einem zweiten Zustand des Signals zu aktivieren.

Die Regulierungs-Reihenschaltung und die Regulierungs-Paral­ lelschaltung haben vorzugsweise ein Regulierungsorgan mit Spannungsbezug und Gegenkoppelung gemeinsam, das zweckmäßi­ gerweise integriert ausgeführt ist. Die Umschaltschaltung kann einen ersten und einen zweiten Unterbrecher besitzen, die einander entgegengesetzt durch das Ausgangssignal des Fühlers gesteuert werden, um einen zur Regulierungs-Reihen­ schaltung gehörenden Ballasttransistor bzw. einen zur Regu­ lierungs-Parallelschaltung gehörenden Ausgangstransistor kurzzuschließen.

Auf diese Weise wird die gewünschte Spannungsregulierung stabil und präzise mit einer geringen Anzahl von Bauelemen­ ten mit kleinen Abmessungen sowohl im Abschaltzustand als auch im Einschaltzustand des Detektors erreicht. Ferner kann an den Klemmen des Fühlers eine Kapazität vorgesehen sein, um die Stabilität der Spannung in den Übergangsphasen zu ge­ währleisten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Detektors,

Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Näherungsfühlers,

Fig. 3 und 4 die aktiven Teile des Fühlers von Fig. 2 im Einschalt- bzw. im Ausschaltzustand.

Der in Fig. 1 gezeigte Detektor besitzt einen Fühler 10 zum Abtasten der Änderung des Vorhandenseins eines Objekts oder einer Größe und eine Umschaltvorrichtung 20, die ihren Zu­ stand in Abhängigkeit von einem Signal S ändert, das der Füh­ ler in Abhängigkeit von dem Vorhandensein des Objekts oder von der veränderlichen Größe erzeugt, und dadurch den Betrieb einer Last herstellt oder unterbricht.

Die Umschaltvorrichtung 20 kann über die Klemmen A und B mit einem Verbraucherkreis 30 verbunden werden, der eine Last 31 in Reihe mit einer Spannungsquelle 32 enthält. Die Verbin­ dung der Vorrichtung 20 mit der Last und der Spannungsquelle findet über zwei Leiter statt, wobei die Spannungsquelle die Last und den Detektor speist. Die Spannungsquelle ist eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle, wo­ bei im zweiten Fall am Eingang des Detektors ein Gleichrich­ ter vorgesehen ist. Die Umschaltvorrichtung 20 hat die Funk­ tion, die Last 31 umzuschalten und eine Schnittstelle zwi­ schen dem Fühler 10 und der Schaltung 30 zu bilden, und regu­ liert die von der Spannungsquelle gelieferte Spannung und liefert den Klemmen 11, 12 des Fühlers eine regulierte Span­ nung, und zwar unabhängig von dessen Zustand.

Wenn der Detektor den Verbraucherkreis 30 öffnet, muß der von seinen elektronischen Schaltungen verbrauchte Reststrom so klein wie möglich sein; und ebenso, wenn der Detektor den Verbrauchskreis schließt, muß die Verlustspannung, die er er­ zeugt und die seine elektronischen Schaltungen speist, so ge­ ring wie möglich sein.

Die Umschaltvorrichtung besitzt zu diesem Zweck eine Span­ nungsregulierungs-Reihenschaltung 21 in Kombination mit einer Spannungsregulierungs-Parallelschaltung 22, deren jede ein aktives Bauelement besitzt, dessen Impedanz Z1 bzw. Z2 die gewünschte Regulierung bewirkt. Die Vorrichtung 20 be­ sitzt außerdem eine Umschaltschaltung 23, die das am Ausgang 13 des Fühlers erzeugte Signal S aufnimmt, um in einem ersten Zustand des Signals S die Spannungsregulierungs-Rei­ henschaltung 21 und in einem zweiten Zustand dieses Signals die Spannungsregulierungs-Parallelschaltung 22 in Betrieb zu setzen.

Aufgrund dieses Aufbaus der Umschaltvorrichtung 20 wird die an den Klemmen 11, 12 des Fühlers 10 gelieferte Speisespan­ nung einerseits durch die Reihenschaltung 21 reguliert, wenn der Detektor im Ausschaltzustand ist und die Last außer Be­ trieb ist, und andererseits durch die Parallelschaltung 22, wenn der Detektor aktiv und die Last in Betrieb ist. An den Klemmen des Fühlers kann eine nicht dargestellte Kapazität vorgesehen sein, um die Spannung in den Übergangsphasen zu stabilisieren.

Fig. 2 zeigt die Einzelheiten der Schaltung eines erfindungs­ gemäßen Näherungsfühlers. Der Fühler 10 dieses Detektors er­ zeugt eine Schwingung, die je nach dem Abstand eines abzu­ tastenden Objekts mehr oder weniger gedämpft wird, wobei diese Dämpfung entsprechend durch das Signal S ausgedrückt wird. Die Schaltungen 21 und 22 besitzen ein gemeinsames Regulierungsorgan 24 mit Spannungsbezug und Gegenkoppelung.

Die Regulierungs-Reihenschaltung 21 besitzt einen Ballast­ transistor T1 vom Typ npn, dessen Kollektor mit der Klemme A und dessen Emitter mit der Klemme 11 des Fühlers 10 verbun­ den ist. Die Basis von T1 wird polarisiert, indem sie mit der Klemme A über einen Widerstand R1 verbunden ist und ist mit dem Kollektor eines Transistors T3 verbunden, dessen Basis mit dem Ausgang 25 des Gegenkoppelungsorgans 24 ver­ bunden ist. Die Basis von T3 ist mit dessen Emitter über einen Widerstand R3 verbunden.

Die Regulierungs-Parallelschaltung 22 besitzt einen Leistungstransistor T2, dessen Kollektor-Emitter-Weg an die Klemmen A und B angeschlossen ist und dessen Basis einer­ seits über einen Widerstand R2 mit dem Emitter und anderer­ seits über den Widerstand R3 mit dem Ausgang 25 des Gegen­ koppelungsorgans 24 verbunden ist.

Die Umschaltschaltung 23 besitzt einen Unterbrecher I1, der durch das von dem Fühler 10 gelieferte Signal S gesteuert wird und so geschaltet ist, daß er den Hauptweg des Transistors T1 kurzschließt. Die Schaltung 23 enthält ferner einen Unterbrecher I2, der durch das umgekehrte Ausgangs­ signal S gesteuert wird und so geschaltet ist, daß er den Basis-Emitter-Weg des Transistors T2 kurzschließt. Das Signal S kann mit dem Signal S an Ausgängen 13 bzw. 14 des Fühlers 10 geliefert werden oder aus dem Signal S durch die Vorrichtung 20 erzeugt werden. Die Unterbrecher I1 und I2 sind bipolare Transistoren oder MOS-Transistoren. Die Schaltung 23 kann ferner auch einen Unterbrecher I3 enthal­ ten, der durch das Signal S gesteuert wird und so geschaltet ist, daß er R3 kurzschließt, um den Spannungsabfall zwischen dem Ausgang 25 und der Basis von T2 zu verringern. Dadurch wird die Regulierung erleichtert, wenn die zu regulierende Spannung sehr gering ist. Der Unterbrecher I3 ist in den Fig. 2 und 4 in unterbrochenen Linien gezeichnet.

Das Gegenkoppelungsorgan 24 besitzt eine Widerstandsbrücke R4, R5, die zwischen den beiden Leitern 26, 27 zur Speisung des Fühlers und einem Spannungsbezugselement 28 angeordnet ist, das mit einer Stromquelle 29 zwischen den Leitern 26, 27 in Reihe geschaltet ist. Der Leiter 26 ist über T1 mit der Klemme A mit hohem Potential und der Leiter 27 ist mit der Klemme B mit niedrigem Potential, beispielsweise 0 Volt, verbunden. Das Spannungsbezugselement 28 ist beispielsweise eine Zenerdiode oder eine Diodeneinheit oder vorzugsweise eine "Band-gap"-Transistorschaltung. Die Mittelpunkte von R4 und R5 bzw. von 28 und 29 sind mit den Eingängen eines Gegenkoppelungs-Differentialverstärkers 24a verbunden, dessen Ausgang mit 25 bezeichnet ist.

Die Arbeitsweise des durch die Unterbrecher I1 und I2 ge­ steuerten Detektors wird nun ausführlicher anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben, in denen die jeweils unaktiven Teile der Vorrichtung 20 in unterbrochenen Linien dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt den Detektor im Ausschaltzustand, in dem ein Stromdurchgang stattfindet, der zu gering ist, um die Last 31 in Betrieb zu setzen, jedoch ausreicht, um den Bereit­ schaftszustand seiner eigenen Schaltung zu gewährleisten.

Das vom Fühler 10 gelieferte Signal S bewirkt die Öffnung des Unterbrechers I1. Das Signal S bewirkt die Schließung des Unterbrechers I2, was die Sperrung des Transistors T2 bewirkt. Das am Ausgang 25 des Verstärkers 24a auftretende Signal polarisiert die Basis von T3, dieser wird leitend, und das dadurch an den Anschlüssen von R1 erzeugte Potential bewirkt eine Änderung der Impedanz des Reihenregulierungsele­ ments, welches der Ballasttransistor T1 bildet. Auf diese Weise erhält man den gewünschten minimalen Reststrom, da die Reihenimpedanz des Transistors T1 sich so reguliert, daß nur der Minimumstrom durchgelassen wird, der für den Betrieb des Fühlers bei der gewünschten Regulierungsspannung notwendig ist.

Fig. 4 zeigt den Detektor im Einschaltzustand, in dem er über den Leistungstransistor T2 einen Stromdurchgang gestat­ tet, der so groß ist, daß die Last 31 betrieben wird, wobei gleichzeitig der regulierte Spannungsabfall an den Anschlüs­ sen von T2 ausgenutzt wird, um seine Speisung weiter zu ge­ währleisten.

Das Signal S schließt den Unterbrecher T1, während S den Unterbrecher I2 öffnet. Durch die Schließung von I1 wird der Transistor T1 gesperrt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 24a wird an die Basis von T2 über R3 angelegt. Infolgedessen leitet T2, dessen Basis-Emitter-Weg durch R2 polarisiert wird, und bewirkt den Betrieb der Last 31. Man erhält auf diese Weise die für den Betrieb des Fühlers erforderliche regulierte Spannung, die gleich der Verlustspannung des Parallelregulierungstransistors T2 ist. Wenn ein Schalter I3 vorgesehen ist, so wird dieser durch das Signal S geschlos­ sen, wodurch das Ausgangssignal des Verstärkers direkt an die Basis von T2 angelegt wird.

Man stellt fest, daß das Spannungsbezugs- und Gegenkoppe­ lungsorgan 24 eine stabile und präzise Spannung verschafft, die gleich bleibt, wenn der Detektor im Abschaltzustand oder im Einschaltzustand ist, wodurch Störungen des Fühlers 10 vermieden werden. Durch die erreichte Genauigkeit wird eine Überdimensionierung der Verlustspannung von T2 vermieden, die sonst erforderlich wäre, um insbesondere Toleranzen und temperaturbedingte Abweichungen der Bauelemente zu berück­ sichtigen.

Die verwendeten Bauelemente haben einen geringen Platz­ bedarf. Insbesondere sei bemerkt, daß nur ein Ausgangs­ transistor T2 von dem durch die Vorrichtung 20 umzuschalten­ den Strom im Einschaltzustand durchflossen wird und daß die beiden Unterbrecher I1 und I2 nur geringe Ströme umschalten: bei I1 ist es der Strom, den der Detektor aufnimmt, um sei­ nen Betrieb zu gewährleisten, und bei I2 der Strom zur Steuerung des Transistors T1 über den Transistor T3.

Die aus dem Spannungsbezugselement 28, vorzugsweise einem "Band-gap"-Element, der Teilerbrücke R4, R5 und dem Differen­ tialverstärker 24a bestehende Untereinheit kann zweckmäßiger­ weise in einer integrierten Schaltung ausgeführt sein. Diese Untereinheit und sogar die gesamte Vorrichtung 20 kann, wenn die Integriertechnik es gestattet, in einer integrierten Schaltung ausgeführt sein, die auch den Fühler 10 enthält.

Der erfindungsgemäße Detektor kann, abgesehen von dem be­ schriebenen Näherungsfühler, auch jeder andere zweiadrige Detektor sein, beispielsweise ein kapazitiver Detektor, ein Ultraschalldetektor, ein photoelektrischer Detektor oder dergleichen.

Claims (8)

1. Detektor, bestehend aus:

• - einem Fühler (10), der ein elektrisches Ausgangssignal (S) mit zwei Zuständen liefern kann,
• - einer Umschaltvorrichtung (20), die mit dem Fühler zur Aufnahme dessen Ausgangssignal verbunden ist und über zwei Klemmen (A, B) durch einen Verbrauchskreis (30) mit Gleichspannung gespeist ist, der eine Last (31) ent­ hält, die mit einer elektrischen Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle (32) in Reihe ist, wobei der Detektor den Verbrauchskreis je nach dem Zustand des Ausgangssignals des Fühlers öffnet oder schließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (20) besitzt:
• - eine Spannungsregulierungs-Reihenschaltung (21) ,
• - eine Spannungsregulierungs-Parallelschaltung (22),
• - eine Umschaltschaltung (23), die das Ausgangssignal (S) des Fühlers (10) aufnimmt, um abwechselnd bei einem ersten Zustand des Signals die Regulierungs-Reihenschal­ tung und bei einem zweiten Zustand des Signals die Regu­ lierungs-Parallelschaltung zu aktivieren.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung dem Fühler (10) eine stabile regulier­ te Spannung liefert, die unabhängig vom Zustand des Aus­ gangssignals (S) des Fühlers (10) gleich ist.

3. Detektor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regulierungs-Reihenschaltung (21) und die Regulierungs-Parallelschaltung (22) ein Regulierungs­ organ (24) mit Spannungsbezug und Gegenkoppelung gemein­ sam haben.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbezug-Regulierungsorgan (24) ein Spannungsbezugs­ element (28) und eine Spannungsteilerbrücke (R4, R5) be­ sitzt, die jeweils mit einem der Eingänge eines Differen­ tialverstärkers verbunden sind und mit diesem integriert ausgeführt sind.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regulierungs-Reihenschaltung (21) einen Ballasttransistor (T1) besitzt und daß die Umschaltschal­ tung (23) einen ersten steuerbaren Unterbrecher (I1) be­ sitzt, der so geschaltet ist, daß er den Ballast­ transistor kurzschließt, und durch das Ausgangssignal (S) des Fühlers (10) gesteuert ist.

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regulierungs-Parallelschaltung (22) einen Ausgangstransistor (T2) enthält und daß die Umschaltschaltung (23) einen zweiten steuerbaren Unter­ brecher (I2) besitzt, der so geschaltet ist, daß er den Ausgangstransistor kurzschließt, und durch das Ausgangs­ signal (S) des Fühlers (10) gesteuert ist.

7. Detektor nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste und der zweite steuerbare Unterbrecher (I1, I2) einander entgegengesetzt durch das Ausgangs­ signal (S) des Fühlers (10) steuerbar sind.

8. Detektor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (25) des Regulierungs­ organs (24) mit Spannungsbezug und Gegenkoppelung mit der Basis des Ausgangstransistors (T2) über einen Widerstand (R3) verbunden ist, der durch einen dritten, durch das Ausgangssignal (S) steuerbaren Unterbrecher (I3) kurz­ schließbar ist.