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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung nach dem
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Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus der DE-PS 24 00 723 ist eine Schaltvorrichtung mit einem kontaktlos
arbeitenden Initiator und mit einem über eine Zweidrahtleitung nachgeschalteten
Verstärker bekannt, an dessen Ausgang eine Last angeschlossen ist, die bei Ausfall
eines Bauelementes im Initiator und/oder im Verstärker und/oder bei Ausfall der
Zweidrahtleitung durch Unterbruch oder Kurzschluß abgeschaltet wird Am Eingang des
Verstärkers liegt dabei ein einen Taktstrom erzeugender Taktgenerator, dem ein Steuertransistor
nachgeschaltet ist, der nur innerhalb eines bestimmten Bereichs des Steuerstroms
durchgeschaltet. Der Initiator erzeugt bei Ausfall eines Bauelements einen Strom
außerhalb des durch den Ansprechstrom des Steuertransistors und einen Einsatzstrom
gegebenen Bereichs, wobei dieser Einsatzstrom gleich der Differenz zwischen dem
Ansprechstrom und der Amplitude des Taktstromes ist. Damit soll eine Schaltvorrichtung
geschaffen werden, die fehlersicher ist, d.h., die einen Gefahrenzustand in der
gesamten Schaltungsanordnung nicht übergehen kann.
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Bei dieser bestehenden Schaltvorrichtung kann der eine Auswertestufe
bildende Verstärker auch ohne weiteres mit einem üblichen Initiator nach DIN 19234
betrieben werden, wodurch die Sicherheitskette unterbrochen wird. Außerdem ist bei
dieser Schaltvorrichtung die Auswertestufe aufwendig aufgebaut 9 so daß schon während
deren Herstellung umfangreiche Prüfungen erforderlich sind, was auch für den Initiator
gilt.
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Insbesondere ist ein gesonderter Taktgenerator erforderlich,
der
genau an den 7'Fensterbereich" der übrigen Schaltvorrichtung abgeglichen werden
muß. Weiterhin ist eine zusätzliche Überwachung für den Überstrom im Steuerstromkreis
notwendig.
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Ein wesentlicher Nachteil der aus der DE-PS 24 00 723 bekannten Schaltvorrichtung
liegt darin, daß nur eine Wirkungsrichtung sicherheitstechnisch realisiert werden
kann: die Auswertestufe liefert nur bei Abwesenheit einer Metallfahne von der Spule
des Oszillators ein Ausgangssignal. Eine Umkehrung dieser Wirkungsrichtung, d.h.
die Erzeugung eines Ar.sgangssignals, wenn sich eine Metallfahne dem Oszillator
nähert ist dagegen nicht möglich.
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Eine ähnliche Schaltvorrichtung ist in der DE-PS 31 50 212 beschrieben:
bei dieser Schaltvorrichtung mit einem Hochfrequenz-Oszillator und einem nachgeschalteten
Verstärker ist ein Prüfanschluß vorgesehen, in den eine Prüfeinrichtung ein Prüfsignal
einspeisen kann, welches derart beschaffen ist, daß der gegebenenfalls ungedämpfte
Oszillator gedämpft und/oder der gegebenenfalls gedämpfte Oszillator entdämpft wird.
Durch Auswertung der Änderung des Ausgangssignals des Näherungsschalters kann dessen
Verfügbar keit festgestellt werden.
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Bei dieser bekannten Schaltvorrichtung ist also eine gesonderte Prüfeinrichtung
vorhanden, um so die Funktion der Schaltvorrichtung ständig überprüfbar zu halten.
Mit dieser gesonderten Prüfeinrichtung ist aber zwangsläufig ein hoher schaltungstechnischer
Aufwand verbunden.
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Schließlich ist noch aus der DE-OS 26 08 395 ein induktiver Annäherungssicherheitsinitiator
bekannt 9 bei dem ein Taktbetrieb dadurch hervorgerufen wird, daß einem Oszillator
ein ganz spezifisches Gegenstück angenähert werden muß, so daß dieser Initiator
ticht zusammen mit einer üblichen Metallfahne betrieben werden kann. Außerdem ist
auch bei diesem Annäherungssicherheitsinitiator nur eine Wirkungsrichtung möglich.
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Es ist daher A u f g a b e der Erfindung eine nur eine zweiadrige
Verbindungsleitung, d.h. eine Zweidrahtleitung, zwischen Oszillator und Auswertestufe
enthaltende Schaltvorrichtung zu schaffen, die ohne großen Aufwand in beiden Wirkungsrichtungen
betreibbar ist, die fehlersicher arbeitet und die nicht mit einem üblichen Initiator
bestätigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen
Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist also der eigentliche
Oszillator durch eine Taktstufe ergänzt, die so beschaffen ist, daß sie selbsttätig
bei einem Betrieb in der einen Wirkungsrichtung eine gegebene äußere Beeinflussung
aufhebt und bei einem Betrieb in der anderen Wirkungsrichtung eine nicht vorhandene
äußere Beeinflussung selbsttätig nachbildet. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
arbeitet weiterhin fehlersicher Bei Ausfall irgendeines Bauelementes wird der Taktbetrieb
unterbrochen und der Gefahrenzustand durch die Auswertestufe eingestellt Diese ist
so ausgebildet, daß sie nur dann ein bestimmtes Ausgangssignal abgibt, wenn die
Taktstufe des Oszillators arbeitet.
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Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist also in der Lage9 sich
selbst zu überwachen, so daß ein fehlersicherer Aufbau vorhanden ist. Bei Ausfall
eines beliebigen Bauelementes im Oszillator bzw. in der Taktstufe und/oder in der
Auswertestufe und/oder in der Zweidrahtleitung zwischen dem Oszillator und der Auswertestufe
nimmt das Ausgangssignal der Auswertestufe "automatisch" einen definierten Zustand,
nämlich vorzugsweise den Wert Null, an.
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Die Verbindungsleitung zwischen dem Initiator und der Auswertestufe
ist eine Zweidrahtleitung, so daß also eine zweiadrige Verbindungsleitung vorliegt.
Der Oszillator selbst ist mit beliebigem Material, vorzugsweise jedoch mit endlich
leitfähigem Material, also beispielsweise einer Metallfahne, beeinflußbar. Weitere
spezielle Anforderungen an eine solche Metällfahne liegen nicht vor.
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Der Initiator kann auf einfache Weise für beide Wirkungsrichtungen
gestaltet werden. In der einen Ausführungsform wird dann die nachgeschaltete Auswertestufe
und nur dann bestätigt, wenn der Oszillator gedämpft ist, während in der anderen
Ausführungsform die Auswertestufe bestätigt wird, wenn der Oszillator gerade nicht
gedämpft ist. D.R., s in der einen Ausführungsform wird beispielsweise bei Annäherung
einer Metallfahne die Auswertestufe betätigt, während in der anderen Ausführungsform
die Auswertestufe betätigt wird, wenn gerade keine- Metailfahne dem Oszillator angenähert
wir Die betätigte Auswertestufe gibt dabei ein Ausgangssignal ab, das von dem Signal
eindeutig abweicht, das abgegeben wird, wenn ein Fehler in der Schaltvorrichtung
vorliegt Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem bei Annäherung einer Metalifahne die Auswertestufe betätigt wird9 und Fig 2
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Auswertestufe betätigt
wird, wenn sich gerade keine Metallfahne dem Oszillator annähert.
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Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen fehlersicheren
Schaltvorrichtung mit einem aus einem Oszillator 20 und einer Taktstufe 23 gebildeten
Initiator 21, sowie einer Zweidraht-Verbindungsleitung 6 und einer Auswertestufe
22.
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Der Oszillator 20 weist eine Spule 2 auf, der sich eine Metallfahne
1 annähern kann. Die Spule 2 liegt mit ihrem einen Ende an einem Anschluß a für
den ersten Draht der Zweidraht-Verbindungsleitung 6. Dieses eine Ende der Spule
2 ist über einen Kondensator 31S > einen Widerstand 32 und die Basis-Emitter-Strecke
eines Transistors 33 mit dem anderen Ende der Spule 2 verbunden. Ein Abgriff der
Spule 2 ist ebenfalls über einen Kondensator 35 mit dem anderen Ende der Spule 2
verbunden. Dieser Abgriff liegt außerdem über einen Widerstand 11 am Emitter eines
Transistors 34, dessen Basis-Kollektor-Strecke den Widerstand 32 überbrückt Der
Verbindungspunkt des Kondensators 31 mit dem Widerstand 32 und dem Kollektor des
Transistors 34 ist mit dem Anschluß b der Zeidraht-Verbindungsleitung 6 verbunden.
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Zwischen den Anschlüssen a und b liegen ein Kondensator 8, ein Widerstand
9 und eine Zener-Diode 3 in Reihe. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator
8 und'dem Widerstand 9 ist an die Basis eines Transistors 7 angeschlossen, dessen
Kollektor
über einen Widerstand 10 mit dem Emitter des Transistors
34 verbunden ist und dessen Emitter am Abgriff der Spule 2 liegt.
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Die Auswertestufe 22 besteht aus einem Übertrag er 19, 19', an dessen
Sekundärwicklung 19' das Ausgangssignal abgenommen wird, während dessen Primärwicklung
19 in Reihe mit einem Widerstand 30 und der Kollektor-Emitter-Stecke eines Transistors
18 zwischen den Versorgungsanschlüssen 40, 41 für negative bzw.
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positive Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors
18 ist uber einen Widerstand 12 mit dessen Basis verbunden, und die Basis des Transistors
8 ist über einen Widerstand 5 an die Ader der Zweidraht-Verbindungslei tung 6 angeschlossen,
die am Anschluß b liegt. Paral lel zu den Versorgungsanschlüssen 40 und 41 liegt
die Reihenschaltung einer Zener-Diode 4 und eines Widerstandes 38,der an dem Versorgungsanschluß
40 liegt Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 38 und der Zener-Diode 4 ist
an dem Anschluß a geführt.
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Die Metallfahne 1 beeinflußt das Hochfrequenzfeld der Spule 2, wodurch
wiederum die Schwingung im Oszillator 20 verändert wird. Wenn sich die Metallfahne
1 der Spule 2 annähert, dann ist die Hochfrequenzschwingung des Oszillators 20 gering
oder setzt sogar vollständig aus In diesem Zustand hat der Oszillator 20 eine geringe
Stromaufnahme.
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Befindet sich dagegen die Metallfahne 1 außerhalb des Hochfrequenzfeldes
der Spule 2, dann schwingt der Oszillator 20 voll und zeigt eine große Stromaufnahme.
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Für die folgenden Erläuterungen zur Fig. 1 sei zunächst angenommen,
daß die Zener-Diode 3 im Initiator 21 eine Zener-Spannung von 75 V besitzt, während
die Zener-Diode 4 in der
Auswertestufe 22 eine Zener-Spannung von
20 V haben soll.
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Der Widerstand 5 in der Auswertestufe soll einen Widerstandswert von
1000 Ohm besitzen. Für den Ersatzwiderstand des von der Metallfahne 1 nicht beeinflußten
Oszillators 20 werden 1000 Ohm angenommen, während der durch die Metallfahne 1 beeinflußte
Oszillator 20 einen Ersatzwiderstand von 9000 Ohm besitzen soll.
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Wenn bei diesem Wert für die Zener-Diode 49 dem Widerstand 5 und dem
Ersatzwiderstand des Oszillators 20 die Spule 2 nicht durch die Metallfahne 1 beeinflußt
wird, dann fließt in der Verbindungsleitung 6 zwischen dem Oszillator 20 und der
Auswertestufe 22 ein Strom von etwa 10 mA. Die Spannung an den Anschlüssen a und
b beträgt dann etwa 10 V.
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Diese. an den beiden Adern der Verbindungsleitung 6 liegende Spannung
von etwa 10 V liegt unterhalb der Zener-Spannung der Zener-Diode 3, so daß diese
nicht leitet und der Transistor 7 der Taktstufe 23 damit nicht angesteuert wird.
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Dieser Zustand wird beibehalten, bis eine Änderung der Oszillatorschwingung
hervorgerufen wird.
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In der Auswertestufe 22 wird der Transistor 18 bei geeigneter Dimensionierung
des Widerstandes t2 durch den Strom von etwa 10 mA ständig durchgeschaltet, so daß
an der Sekundärwicklung 19i des Übertragers 19>19' keine Spannung auftritt.
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Wird dagegen die Spule 2 des Oszillators 20 durch die Metallfahne
1 beeinflußt, so daß der Ersatzwiderstand des Oszillators 20 auf 9000 Ohm ansteigt,
dann fließt in der Zweidraht-Verbindungsleitung 5 nur noch ein Strom von etwa 2
mA Die Spannung am Oszillator 20 bzw. an den Anschlüssen a und b beträgt dann etwa
18 V. Dies bedeutet, daß die Zener-Spannung der Zener-Diode 3 überschritten
wird,
so daß sich der Kondensator 8 über den Widerstand 9 aufladen kann. Sobald die Ladespannung
am Kondensator 8 die Schwellenspannung des Transistors 7 übersteigt D schaltet die
Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors 7 den Widerstand 10 parallel zum Oszillatorwiderstand
11.
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Der Widerstandswert des Widerstandes 10 ist so ausgelegt, daß bei
dieser Parallelschaltung die Beeinflussung des Oszillators 20 durch die Metallfahne
1 aufgehoben wird.
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Damit geht aber der Oszillator 20 in den Zustand der hohen Stromaufnahme
zurück, so daß die Spannung an den Anschlüssen ag b wieder klein wird und auf etwa
10 V absinkt.
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In diesem Zustand wird der Kondensator 8 nicht weiter aufgeladen.
Der durchgeschaltete Zustand des Transistors 7 wird aber nur solange beibehalten,
bis sich der Kondensator 8 unter die Schwellenspannung des Transistors 7 entladen
hat.
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Sobald dieser Zustand erreicht ist, in dem der Transistor 7 nicht
mehr leitet, ist der Widerstand 10 nicht mehr parallel zum Widerstand 11 wirksam,
so daß der Oszillator 20 wieder einen niederen Strom von etwa 2 mA führt.
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Anschließend steigt die Spannung an den Anschlüssen a und b an, und
der Kondensator 8 wird wieder aufgeladen.
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Der Oszillatorstrom pendelt also ständig zwischen einem hohen und
einem niederen Wert hin und her, so lange die Spule 2 durch die Metallfahne beeinflußt
ist.
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Da der Widerstand 12 in der Auswertestufe 22 so dimensioniert ist,
daß der Transistor 18 bei hohem Oszillatorstrom durchgeschaltet und bei niederem
Oszillatorstrom gesperrt ist,
wird dieser Transistor 18 im Rhythmus
der Taktfrequenz des Oszillatorstromes durchgeschaltet und gesperrt, und an der
Sekundärwicklung 19' des Übertragers 19, 19' tritt ein Signal auf.
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An der Sekundärwicklung 19' liegt also keine Spannung, wenn die Spule
2 nicht durch die Metallfahne 1 beeinflußt wird, und es tritt eine Spannung aufs
wenn diese Metallfahne 1 die Spule 2 des Oszillators 20 beeinflußt.
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Die Zener-Spannung der Zener-Diode 4 in der Auswertestufe 22 muß größer
sein als die Zener-Spannung der Zener-Diode 3 im Initiator 21, damit die Schaltvorrichtung
einwandfrei arbeiten kann.
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Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltvorrichtung mit zum Ausführungsbeispiel von Fig 1 umgekehrter Wirkungsrichtung.
In der Fig 2 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie
in Fig. 1 versehen.
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Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
von Fig. 1 lediglich durch eine andere Taktstufe 23. Diese Taktstufe hat eine Parallelschaltung
eines Kondensators 15 mit einem Widerstand 16, wobei diese Parallelschaltung zwischen
dem Anschluß a und dem einen Ende der Spule 2 vorgesehen ist. Der Widerstand 16
ist durch die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors 13 überbrückt, dessen Kollektor
über einen Widerstand 14 mit dem anderen Ende der Spule 2 verbundenXist.
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Wird die Metallfahne 1 der Spule 2 angenähert, dann ist der Oszillatorstrom
klein, so daß der Transistor 13 durch
den Spannungsabfall am Widerstand
16 nicht durchgeschaltet wird. Es tritt daher wieder ein statischer Zustand ein
Der Transistro 18 in der Auswertestufe 22 ist dabei ständig gesperrt, so daß an
der Sekundärwicklung 19' des Übertragers 19, 19 kein Signal auftritt.
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Wird nun die Beeinflussung des Oszillators 20 durch die Metallfahne
1 aufgehoben, dann nimmt der Oszillator 20 einen hohen Strom auf. Der Spannungsabfall
am Widerstand 16 wird dann groß, so daß der Kondensator 15 aufgeladen werden kann.
Sobald die Spannung am Kondensator 15 die Schwellenspannung des Transistors 13 übersteigt,
wird dieser durchgeschaltet, und die Spule 2 wird über den Widerstand 14 der Taktstufe
23 derart beeinflußt9 wie dies einer Beeinflussung durch die Metallfahne 1 entspric:at.
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Damit wird der Oszillatorstrom aber wiederum klein, so daß sich der
gleiche rhythmische Taktbetrieb wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einstellt.
An der Sekundärwicklung 19 des Übertragers 19, 19 erscheint also nur dann eine Spannung,
wenn der Transistor 18 während des Taktbetriebs durchgeschaltet und gesperrt wird.
Dieser Taktbetrieb tritt aber nur auf, wenn die Spule 2 - im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
von Fig. 1 - gerade nicht durch die Metallfahne 1 beeinflußt wird.
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Der Wert der Taktfrequenz des Oszillatorstromes wird im Aus£ührungsbeispiel
von Fig. 1 im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators 8 bestimmt, während
im Åusfüh.-rungsbeispiel von Fig. 2 im wesentlichen die Kapazität des Kondensators
15 diese Taktfrequenz festlegt. Weiterhin wird im Ausführungsbeispiel von Fig. 1
die Einsatzspannung für den Taktbetrieb durch die Zener-Diode 3 festgelegt,
während
im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 der Einsatzstrom für den Taktbetrieb durch den
Widerstand 16 bestimmt wird.
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Schaltvorrichtungen mit dem Aufbau beider Ausführungsbeispiele nach
Fig. 1 und 2 können nur dann den Taktbetrieb aufnehmen, wenn tatsächlich alle Bauelemente
funktionsfähig sind. Fällt eines der Bauelemente im Initiator, im Oszillator, in
der Zweidraht-Verbindungsleitung und in der Auswertestufe aus> so ist ein Taktbetrieb
nicht mehr möglich. Im Fehlerfall ist somit die Spannung an der Sekundärwicklung
192 des Obertragers 19, 19i immer auf dem Wert Null.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, anstatt der Spannung am oder
des Stromes im Oszillator das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein der Oszillatorschwingung
als Kriterium für das Einleiten des Taktbetriebes der Taktstufe 23 heranzuziehen.
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