DE3321838C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Nähe­ rungsschalter mit zwei Anschlüssen und einem steuerbaren Lei­ stung-Halbleiterschalter, der sowohl als Leistungsschalter als auch zur Stromversorgung für einen Detektorschaltkreis dient.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE-OS 22 03 038 bekannt. Als steuerbarer Leistungs-Halbleiterschalter wird in dieser bekannten Schaltungsanordnung ein Thyristor vorgesehen, dessen Katode zum Zünden niederohmig mit dem Minuspol einer zu schaltenden Gleichspannung verbunden wird und dessen Gitter ein nur geringfügig über dem Potential des Minuspols der Gleichspan­ nung liegendes Potential zum Zünden aufweist. Der in Fig. 5 der bekannten Veröffentlichung dargestellte Annäherungsschalter weist eine Speiseschaltung zum Erzeugen der Hilfsspannung für einen Oszillator und eine Kippstufe auf. Die Speiseschaltung verfügt dazu über einen Ansteuertransistor, dessen Kollektoran­ schluß über einen Widerstand mit der Katode des zu steuernden Thyristors verbunden ist. Parallel zur Laststecke des Thyri­ stors ist ein weiterer Widerstand geschaltet. Am Verbindungs­ punkt dieses weiteren Widerstandes und der Katode des Thyri­ stors ist eine Reihenschaltung einer Entkopplungsdiode und einer Zenerdiode angeordnet wobei parallel zur Zenerdiode eine wei­ tere Diode in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist. Der Gateanschluß des Thyristors ist mit einem weiteren Widerstand mit dem Verbindungspunkt des Kondensators und der weiteren Di­ ode verbunden. Durch die Entkopplungsdiode wird ein großer Eingangsspannungsbereich für den Annäherungsschalter erreicht.

Eine Schaltungsanordnung für einen Annäherungsschalter ist auch aus der DE-PS 31 46 709 C1 bekannt. Die dort beschriebene kon­ takt- und berührungslos arbeitende Schaltvorrichtung ist über Außenleitungen an eine gleichgerichtete Wechselspannung und eine Last schaltbar. Der Schaltvorrichtung besitzt einen von außen be­ einflußbaren Oszillator, der einen im Lastkreis liegenden Lei­ stungs-MOS-Transistor ansteuert. Die stabilisierte Gleichspan­ nung für den Oszillator wird vom Laststrom über einen weiteren Leistungs-MOS-Transistor, einer Zenerdiode und einen Kondensator abgeleitet. Im Gegensatz zur aus der DE-OS 22 03 038 bekannten Schaltungsanordnung wird jedoch hier der Leistungs-MOS-Transi­ stor nicht gleichzeitig als Leistungsschalter und zur Strom­ versorgung herangezogen. Nachteilig bei solchen elektronischen Schaltern ist jedoch, daß sowohl für die Stromversorgung als auch den Schalter hochsperrende Halbleiterbauelemente benötigt werden, ein hoher Schaltungsaufwand erforderlich ist und grö­ ßere Toleranzen der Stromquelle abgeglichen werden müssen.

Der Vorteil elektronischer Näherungsschalter mit zwei Anschlüs­ sen liegt vor allem darin, daß diese bei der Installation wie ein mechanischer Kontakt eingesetzt werden können, da sie nur zwei Anschlüsse benötigen und keinen zusätzlichen Anschluß für die Versorgungsspannung. Solche Schalter werden bevorzugt in Steuerungssystemen mit 220 V, 110 v oder 48 V-Wechselspannungs­ systemen aber auch in Gleichspannungssystemen eingesetzt.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, die aus der DE-OS 22 03 038 bekannte Schaltungsanordnung für einen Näherungsschalter so weiterzubil­ den, daß der Reststrom und damit die Stromaufnahme der Schaltung im Aus-Zustand möglichst klein und die Restspannung im Ein-Zu­ stand möglichst gering wird, und daß zugleich ein großer Eingangs­ spannungsbereich zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird durch folgende Merkmale gelöst:

• a) Der steuerbare Leistungs-Halbleiterschalter ist ein Leistungs- MOS-FET,
• b) dessen Drain-Anschluß mit dem positiven Pol einer Eingangs­ gleichspannung verbunden ist,
• c) dessen Gate-Anschluß auf einem konstanten Potential liegt,
• d) an dessen Source-Anschluß die Stromversorgung für den Detektorschaltkreis ansteht,
• e) der Ausgang des Detektorschaltkreises ist über eine Zenerdiode mit dem Source-Anschluß des Leistungs-MOS-FET verbunden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Zur Überbrückung von Spannungslücken kann die Schal­ tungsanordnung einen Kondensator aufweisen.

Für Näherungsschalter mit höherem Ausgangsstrom ist der Ausgang des Detektorschaltkreises an die Basis eines Tran­ sistors gelegt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen Source und Bezugspotential geschaltet ist.

Wenn die Schaltungsanordnung einen Brückengleichrichter zur Gleichrichtung einer Eingangswechselspannung ent­ hält, kann in vorteilhafter Weise parallel zum Eingang ein Varistor geschaltet sein.

Die Vorteile und die Wirkungsweise der erfindungsge­ mäßen Schaltungsanordnung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und 2 zwei verschiende Ausführungsbeispiele für unterschiedliche Ausgangsströme.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, daß eine Schaltungsanordnung für einen Betriebs­ spannungsbereich von 48 V ∼ bis 250 V ∼ zeigt. Die minimale Betriebsspannung ist dabei nur von der zulässigen Restspannung an den Ausgangsklemmen a und b begrenzt. Bei der Angabe des Betriebsbereiches wurde von einer Restspannung ≦20% der Systemspannung ausge­ gangen. Die Eingangswechselspannung wird dem Brücken­ gleichrichter G zugeführt, dessen Pluspol mit dem Drain des Leistungs-MOS-FET T direkt verbunden ist. Bei einer Eingangswechselspannung von 220 V entsteht somit am Drain des MOS-FET T eine Spitzenspannung von 350 V.

Über den Widerstand R ₁ wird die Zenerdiode Z ₂ bestromt und damit die Gate-Spannung am MOS-FET begrenzt. Bei der genannten Eingangs-Wechselspannung von 220 V einem Vorwiderstand R ₁ von 2,2 MOhm und einer Zenerdiode Z ₂ für 12 V wird die Gate-Spannung auf 12 V begrenzt. Am Source des MOS-FET T bildet sich eine Spannung von etwa 9 V aus (U _{Z 2} - U _GS = 12 V - 3 V). Diese Spannung versorgt über den Widerstand R ₂ den als integrierte Schaltung ausgebildeten Detektorschaltkreis N.

Zur Überbrückung von Spannungslücken dient der Konden­ sator C, der zwischen Eingang des Detektorschaltkreises und Bezugspotential geschaltet ist.

Das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen induktiven Näherungsschalter, dessen Oszillator O durch Annäherung eines Metallteiles bedämpft wird.

Im AUS-Zustand ist die Ausgangsstufe des Detektorschaltkreises N gesperrt, was beispielsweise durch einen offenen Kollektor eines npn-Transistors bewirkt wird. Hierbei setzt sich die Stromaufnahme der Schaltung zu­ sammen aus dem Speisestrom für den Detektorschaltkreis N von beispielsweise 0,6 mA und dem Strom durch den Wider­ stand R ₁ von ca. 0,1 mA (für R ₁ = 2,2 MOhm), so daß die gesamte Stromaufnahme im AUS-Zustand ca. 0,7 mA beträgt.

Im EIN-Zustand leitet der Ausgangstransistor des Detektorschaltkreises N und die Source des MOS-FET T wird über die Zenerdiode Z ₁ auf Bezugspotential geschaltet. Am Drain stellt sich dann folgende Spannung ein:

U _Dmin = U _QL + U _{Z 1} + U _GS = 0,15 + 5,6 + 3 ≈ 8,8 V,

mit U _QL = minimale Ausgangsspannung des Detektorschaltkreises N und U _GS = Gate-Source-Schwellenspannung des MOS-FET T.

An den Ausgangsklemmen a und b erhöht sich die Spannung durch den Gleichrichter auf U _Rest = 10 V. Der maximale Ausgangsstrom wird von dem Detektorschaltkreis N begrenzt.

Parallel zum Eingang ist ein Varistor V geschaltet, da­ mit Störspannungsspitzen vom Netz und von induktiven Lasten begrenzt werden können.

Als Leistungs-MOS-FET T wird beispielsweise ein Tran­ sistor verwendet, dessen Einschaltwiderstand ≦8 Ohm beträgt, was zu einem vernachlässigbar kleinen Spannungs­ abfall führt.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dar­ gestellt, das sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Ausgang des Detektorschaltkreises N an die Basis eines Transistors T ₁ gelegt ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen die Zenerdiode Z ₁ und Bezugspotential geschaltet ist.

Durch Einfügen dieses Transistors T ₁ läßt sich der maxi­ male Ausgangsstrom auf 300 mA _eff anheben. Auch bei dieser Schaltungsanordnung beträgt der Reststrom im AUS- Zustand lediglich 0,7 mA.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird somit ein elektronischer Näherungsschalter mit zwei An­ schlüssen erhalten, der bei geringem Schaltungsaufwand kleine Restströme und niedrige Restspannungen aufweist.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für einen Näherungsschalter mit zwei Anschlüssen und einem steuerbaren Leistungs-Halbleiterschalter, der sowohl als Leistungsschalter, als auch zur Strom­ versorgung für einen Detektorschaltkreis dient, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der steuerbare Leistungs-Halbleiterschalter ist ein Lei­ stungs-MOS-FET (T),
• b) dessen Drain-Anschluß mit dem positiven Pol der Eingangs­ gleichspannung verbunden ist, und
• c) dessen Gate-Anschluß auf einem konstanten Potential liegt, und
• d) an dessen Source-Anschluß die Stromversorgung für den Detektor­ schaltkreis (N) ansteht, und
• e) der Ausgang (Q) des Detektorschaltkreises (N) ist über eine Zenerdiode (Z 1) mit dem Source-Anschluß verbunden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gate-Anschluß des Leistungs- MOS-FET (T) mit dem Verbindungspunkt einer zwischen den positi­ ven Pol der Eingangsgleichspannung und einem Bezugspotential angeordneten Reihenschaltung eines Widerstandes (R ₁) und einer Zenerdiode (Z ₂) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Überbrückung von Spannungs­ lücken ein Kondensator (C) vorgesehen ist, der zwischen die Eingangsklemme des Detektorschaltkreises (N) und dem Bezugspoten­ tial der Eingangsgleichspannung geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ausgang (Q) des Detektorschaltkreises (N) an dem Basisanschluß eines Transi­ stors (T ₁) gelegt ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Source-Anschluß des Leistungs-MOS-FET (T) und Bezugspoten­ tial der Eingangsgleichspannung geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eingangs­ gleichspannung gewonnen wird, und daß zwischen die Eingangs­ klemmen (a. b) des Brückengleichrichters (G) ein Varistor (V) geschaltet ist.