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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Annäherungsschalter
mit einem mit einem ersten Rückkopplungskreis versehenen Oszillator, dessen Schwingverhalten
durch Heranführen eines stromleitenden Gegenstandes beeinflußbar ist und bei dem
die Ausgangsspannung des Oszillators einem Wechselspannungsverstärker zugeführt
wird, der erst bei einer vorbestimmten Größe dieser Ausgangsspannung zu verstärken
beginnt, und daß der Wechselspannungsteil der Ausgangsspannung dieses Wechselspannungsverstärkers
dem Oszillator im Sinne einer Mitkopplung zugeführt Wird, nach Patentanmeldung P
1272363.6-31 (deutsche Auslegeschrift 1272 363): -Vielfach ist es erwünscht, mit
einem solchen Annäherungsschalter steuerbare Halbleiterschalter zu steuern, z. B.
sogenannte Thyristoren, die zu ihrer Einschaltung einen Stromimpuls an ihrer Steuerelektrode
benötigen. Je nach Art des verwendeten Thyristors (npnp oder pnpn) muß dieser Impuls
eine bestimmte Polarität haben.
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Normalerweise werden zur Erzeugung dieser Impulse Schaltungen mit
Zweibasis-Transistoren verwendet. Auch sind Schaltungen mit Sperrschwingoszillatoren
bekannt. Diese Impulsgeneratoren verursachen zusätzliche Kosten und verhindern dadurch
die Anwendung von Thyristoren an Stellen, wo dies an sich technisch möglich wäre.
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Die Erfindung schafft hier Abhilfe. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß der eingangs genannte Annäherungsschalter an eine pulsierende Gleichspannung
angeschlossen ist und daß der Ausgang des Wechselspannungs-Schwellwertverstärkers
insbesondere über einen übertrager mit der Steuerelektrode eines Thyristors verbunden
ist, dessen Betriebs-Wechsel-Spannung mit der pulsierenden Gleichspannung synchronisiert
ist. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung ist also kein zusätzlicher Impulsgeber
für den Thyristor notwendig. Die Aufgabe des Impulsgebers übernimmt der Annäherungsschalter
selbst. Dies ist deshalb möglich, weil der Annäherungsschalter nach der Hauptpatentanmeldung
ein ausgeprägtes Sprungverhalten aufweist, und dieses Sprungverhalten dient erfindungsgemäß
zum Erzeugen der für das Steuern des Thyristors notwendigen Stromimpulse. Der Thyristor
erhält dabei während jeder Periode der Betriebs-Wechselspannung einen neuen Zündimpuls.
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Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn nach einem weiteren Merkmal
-der Erfindung die pulsierende Gleichspannung eine von einer Wechselspannung abgeleitete,
etwa rechteckförmige Spannung ist, da man dann ein besonders ausgeprägtes Sprungverhalten
erhält und einen besonders kleinen Übertrager verwenden kann. Zum Erzeugen .dieser
etwa rechteckförmigen Spannung verwendet man mit Vorteil eine eine pulsierende Spannung
liefernde Spannungsquelle und eine an diese angeschlossene Zenerdiode, wobei der
Spritzwert der pulsierenden Spannung ein Mehrfaches der- Zenerspannung der t Zenerdiode
beträgt.
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Weiterhin ist auf sehr einfache Weise auch eine Phasenanschnittsteuerung
möglich, wie das im folgenden noch beschrieben wird.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Annäherungsschalters, F i g. 2 Schaubilder zum Erläutern der Schaltung nach F i
g. 1, F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Annäherungsschalters,
F i g. 4 Schaubilder zum Erläutern der Schaltung nach F i g. 3 und F i g. 5 ein.
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Annäherungsschalters.
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In den einzelnen Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Teile
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Schaltung nach F i g. 1 ist über die Primärwicklung
10 eines Transformators 11 an die Klemme 12,13 eines Wechselspannungsnetzes
von z. B. 220 V, 50 Hz angeschlossen. Die Anode eines Thyristors 14
ist über
einen Lastwiderstand 15 mit der Klemme 12,
seine Kathode mit der Klemme
13 verbunden. Der Lastwiderstand 15 kann z. B. ein Relais, ein Stellmotor
oder ein Ventil sein.
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An die Sekundärwicklung 16 ist ein Einphasen-Brückengleichrichter
17 angeschlossen, zwischen dessen Ausgängen -1- und - eine pulsierende Gleichspannung
Ui auftritt, deren Kurvenverlauf in der obersten Reihe von F i g. 2 dargestellt
ist.
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über zwei Klemmen 18, 19 ist an diese Ausgänge des Gleichrichters
17 eine Schalteinrichtung angeschlossen, die in ihrer Gesamtheit mit
22 bezeichnet ist und deren Schaltzustand davon abhängt, wie weit ihr ein
mit 23 bezeichneter Metallgegenstand genähert wird. Dieser Annäherungsschalter ist
Gegenstand der Hauptpatentanmeldung.
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Der Annäherungsschalter 22 enthält drei Transistoren: einen
npn-Transistor 24, der zusammen mit zwei Spulen 25, 26 einen Oszillator
bildet; einen pnp-Transistor 27, der als Wechselspannungs-Schwellwertverstärker
dient; und einen npn-Leistungstransistor 28 als Ausgangsstufe.
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An der Klemme 18 ist über einen Siebwiderstand 29 eine
Plusleitung 30 angeschlossen, an die Klemme 19 eine Minusleitung 33. Zwischen
den Leitungen 30 und 33 liegt ein Filterkondensator 34 und parallel zu ihm ein Spannungsteiler,
der aus zwei über einen Verbindungspunkt 35 miteinander verbundenen Widerständen
36, 37 besteht.
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Die Spule 26 dient als Rückkopplungsspule und ist mit ihrem einen
Ende am Verbindungspunkt 35, mit ihrem anderen Ende an der Basis des Transistors
24
angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand 38 mit der Minusleitung
33 und dessen Kollektor über einen Widerstand 39 und die mit diesem in Serie
geschaltete Spule 25, zu welcher ein Kondensator 40 parallel geschaltet ist,
mit der Plusleitung 30 verbunden ist. Wie ersichtlich, bilden Spule 25 und Kondensator
40 einen Parallelschwingungskreis, z. B. für 500 kHz.
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Die Spulen 25 und 26 sind jeweils mit einem Frritkern
43,44 versehen, und diese Kerne sind über einen Luftspalt miteinander gekoppelt,
in den der Metallgegenstand 23 eingebracht werden kann. Befindet sich dieser in
der Nähe der Spulen 25 und 26,
so wird die Rückkopplung vermindert,
und die Oszillatorschwingungen werden durch die im Gegenstand 23 induzierten Ströme
gedämpft, so daß ihre Amplitude absinkt oder der Oszillator ganz zu schwingen aufhört.
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Der Verbindungspunkt des Widerstands 39 und
der
Spule 25 ist mit der Basis des Transistors 27 verbunden, dessen Emitter über einen
Widerstand 45
mit der Plusleitung 30 und einen Widerstand 46 mit der Minusleitung
33 verbunden ist. Dieser Emitter hat also ein bestimmtes negatives Potential, z.
B. -2 V, bezogen auf das Potential der Plusleitung 30,
so daß der Transistor
27 erst verstärkt, wenn die Spannungsamplitude der Schwingungen am Schwingungskreis
25, 40 größer ist als dieses Potential.
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über ein Potentiometer 47 und zwei mit diesem in Serie geschaltete
Widerstände 48, 49 ist der Kollektor des Transistors 27 mit der Minusleitung
33 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 47 ist über einen Kondensator 52 (z.
B. 100 pF) mit dem Verbindungspunkt 35 verbunden. Parallel zur Serienschaltung der
Widerstände 48 und 49 liegt ein Siebkondensator 53. Der Verbindungspunkt dieser
beiden Widerstände ist mit der Basis des Transistors 28 verbunden, dessen Emitter
an der Minusleitung 33 liegt und dessen Kollektor direkt mit einem Ausgang A und
über einen Widerstand 54 mit der Plusleitung 30 verbunden ist.
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An den Ausgang A ist der eine Anschluß der Primärwicklung 55 eines
Übertragers 56 angeschlossen, zu der eine Löschdiode 57 parallel geschaltet ist
und deren anderer Anschluß über einen Widerstand 58 mit dem Ausgang -f- des Gleichrichters
17 verbunden ist.
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Die Sekundärwicklung 59 des Übertragers 56 ist mit ihrem einen Anschluß
mit der Kathode und mit ihrem anderen Anschluß mit der Steuerelektrode des Thyristors
14 verbunden.
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Die Anordnung nach F i g. 1 arbeitet wie folgt: Es sei zunächst angenommen,
daß der Metallgegenstand 23 weit von den Spulen 25, 26 entfernt ist, so daß diese
nicht bedämpft sind. Liegt nun im Zeitpunkt t1 zwischen den Leitungen 30 und 33
eine sehr kleine Spannung, so schwingt der aus den Spulen 25, 26 und dem Transistor
24 bestehende Oszillator entweder überhaupt nicht oder nur mit einer sehr kleinen
Amplitude, die nicht ausreicht, um den Transistor 27 leitend zu machen, so daß durch
die Widerstände 47, 48, 49 kein Strom fließt und der Transistor 28 gesperrt ist,
da bei ihm zwischen Basis und Emitter die Spannung Null liegt.
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Steigt nun nach dem Zeitpunkt t1 die Spannung zwischen den Leitungen
30 und 33 an, so nimmt die Schwingungsamplitude des Oszillators 24, 25, 26 zu; reicht
jedoch zunächst nicht aus, um den Transistor 27 leitend zu machen. Entsprechend
bleibt auch der Transistor 28 gesperrt.
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Erst im Zeitpunkt t2 (F i g. 2) werden die Schwingungsamplituden am
Schwingkreis 25, 40 so groß, daß der Transistor durch die negativen Maxima dieser
Schwingungen jeweils kurzzeitig leitend gesteuert wird. Hierdurch entsteht plötzlich
eine zweite Rückkopplungsverbindung über diesen Transistor 27, das Potentiometer
47 und den Kondensator 52 zur Basis des Transistors 24, so daß in einem außerordentlich
kurzen Zeitraum von etwa zwei Perioden (bei 500 kHz entsprechend einer Zeit von
etwa 4 sec) die Schwingungsamplitude am Schwingkreis 25, 40 stark ansteigt. Dadurch
fließt jetzt auch im Transistor 27 ein großer Kollektorstrom, und dieser Strom erzeugt
am Widerstand 49 einen Spannungsabfall, der den Transistor 28 schlagartig einschaltet.
Hierdurch fließt plötzlich ein Strom durch die Primärwicklung 55, der in der Sekundärwicklung
59 die in der zweiten Reihe von F i g. 2 gezeigte Spannung uG induziert, die den
Thyristor 14 im Zeitpunkt t2 leitend steuert, wenn seine Anode positiver
ist als seine Kathode, was bei jeder zweiten Halbwelle der Fall ist. Es fließt dann
ein Strom !L, wie er in der dritten Reihe von F i g. 2 dargestellt ist. Dieser Strom
wird wieder unterbrochen, wenn die Anode des Thyristors 14 negativer wird als die
Kathode.
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Im Zeitpunkt t3 wird die Spannung U1 so klein, daß die Schwingungsamplitude
am Schwingkreis 25, 40 nicht mehr ausreicht, um den Transistor
27 leitend zu steuern. Entsprechend wird auch der Transistor 28 wieder
gesperrt, wodurch sich die in der zweiten Reihe von F i g. 2 dargestellten negativen
Spannungsspitzen ergeben.
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Wird nun der Metallgegenstand 23 in die Nähe der Spulen 25 und 26
gebracht, so wird der Schwingkreis 25, 40 stark gedämpft, so daß in keinem
Augenblick mehr die Spannungsamplitude an ihm ausreicht, um den Transistor 27 leitend
zu steuern. Der Thyristor 14 bleibt also gesperrt, da die Spannung ur, dann zu Null
wird. Der Thyristor 14 wird also nur leitend gehalten, solange der Metallgegenstand
23 weit entfernt ist, nicht aber, wenn dieser dem Schwingkreis 25, 40 genähert wird.
Die Anordnung wirkt also als kontaktloser Endschalter.
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Das schlagartige Einschalten des Transistors 28 ergibt sich durch
den zweiten Rückkopplungskreis - Transistor 27, Potentiometer 47,
Kondensator 52 - der ein außerordentlich rasches Ansteigen der Schwingungsamplitude
und damit ein sprungartiges Schalten bewirkt. Der Übertrager 56 muß bei einer Netzfrequenz
von 50 Hz für 100 Hz ausgelegt werden. Die Diode 57 verhindert, daß die zulässige
Spitzenspannung zwischen Kathode und Steuerelektrode des Thyristors 14 überschritten
wird.
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Bei der Anordnung nach F i g. 3 ist die gleiche Schalteinrichtung
22 verwendet wie bei der Anordnung nach F i g. 1; jedoch wird als Gleichspannung
zu ihrer Versorgung eine Rechteckspannung verwendet, wie sie in der obersten Reihe
von F i g. 4 dargestellt ist. An diese Rechteckspannung ist auch die Primärwicklung
55 des Übertragers 56 angeschlossen; so daß man an ihr einen sehr steilen Spannungsanstieg
erhält, d. h., der Übertrager 56 kann für eine höhere Frequenz ausgelegt werden
als der Übertrager 56 nach F i g. 1 und wird dadurch kleiner. Außerdem wird der
Thyristor 14 früher in der Periode gezündet, als dies bei F i g. 2 der Fall ist,
und man erhält einen entsprechend höheren Strom 'L (dritte Reihe von F i g. 4).
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Zum Erzeugen der etwa rechteckförmigen Spannung UZ wird eine Zenerdiode
62 mit einer Zenerspannung von z. B. 12 V zwischen die Klemmen 18 und 19 geschaltet,
und die Wechselspannungsseite des Gleichrichters 17 wird über einen Widerstand an
die Netzklemmen 12, 13 (z. B. 220 V, 50 Hz) angeschlossen. Die Spannung zwischen
den Klemmen 18 und 19 steigt dann zunächst ebenso an wie bei der gleichgerichteten
Spannung am Ausgang des Gleichrichters 17. Bei Überschreiten der Zenerspannung wird
jedoch die Zenerdiode 62 stromleitend und begrenzt so die Spannung an ihr auf z.
B. 12 V. Man erhält so die dargestellte Spannungsform.
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Die Anordnung nach F i g. 3 arbeitet im übrigen wie diejenige nach
F i g. 1, d. h., wenn ihr ein Metallgegenstand genähert wird, wird der Thyristor
14 gesperrt. Wird der Metallgegenstand dagegen entfernt, so wird der Thyristor 14
leitend.
In manchen Fällen ist es erforderlich, den Strom durch
den Thyristor 14 einstellbar zu machen. Diesem Zweck dient die Anordnung nach F
i g. 5, die weitgehend mit derjenigen nach F i g.1 übereinstimmt. Jedoch ist bei
ihr zwischen die Sekundärwicklung 16, die mit einer Mittelanzapfung 66 versehen
ist, und den Gleichrichter 17 ein Phasenschieber eingeschaltet, der aus zwei Widerständen
67, 68 und einem Kondensator 69 besteht. Durch diesen Phasenschieber wird bewirkt,
daß die Spannung an den Klemmen 18, 19 der Spannung am Thyristor 14 nacheilt. Der
Thyristor 14 wird also je nach der Einstellung des Widerstandes 67 verschieden lang
gezündet, und dadurch wird der Strom durch den Widerstand 15 einstellbar. Gleichzeitig
hat sich gezeigt, daß auch bei dieser Schaltung der Übertrager 56 nur für hohe Frequenzen
bemessen zu werden braucht und dadurch eine kleine und billige Bauart für diesen
Übertrager 56 möglich ist. Hierfür genügt bereits eine Phasenverschiebung von wenigen
Grad.
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Wie ersichtlich, ist bei der Anordnung nach F i g. 5 ein Brückengleichrichter
70 für die Speisung des Thyristors 14 vorgesehen. Hierdurch erhält man im
Lastwiderstand 15 einen Strom; der etwa doppelt so groß ist_ wie bei der
Schalttang nach F i g. 1, da der Thyristor 14 während jeder Periode zweimal gezündet
wird.
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Die Erfindung gestattet- es, durch wenige Zusatzbauteile zum Annäherungsschalter
22 eine Einrichtung zu schaffen, mit der Thyristoren gesteuert werden können und
mit der sogar eine Einstellung des Zündwinkels möglich ist.