DE4041823A1 - Zweiadriger detektor mit regulierter spannung - Google Patents
Zweiadriger detektor mit regulierter spannungInfo
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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.
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