DE19905170A1 - Elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes, verpolfestes Schaltgerät - Google Patents

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein elektronisches, berührungslos arbeitendes, verpolfestes 2-Leiter-DC-Schaltgerät, mit einem von außen beeinflußbaren Anwesenheitsindikator, nämlich einem Oszillator (1), mit einem von dem Oszillator (1) - über einen nicht dargestellten Schaltverstärker - steuerbaren Schalttransistor (2) und mit einer Betriebsspannungsversorgungsschaltung (3) für die Zurverfügungstellung der vom Oszillator (1) und vom Schaltverstärker benötigten Betriebsspannung (= interne Betriebsspannung). DOLLAR A Im durchgeschalteten Zustand ist der Spannungsabfall an dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät dadurch besonders gering, daß einem Schaltgeräteanschluß (7) als Verpolschutzelement ein invers betriebener Bipolartransistor (5) nachgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes, verpolfestes Schaltgerät, insbesondere ein 2-Leiter-DC-Schaltgerät, mit einem von außen beeinflußbaren Anwesenheitsindikator, z. B. einem Oszillator, mit einem von dem Anwesenheitsindikator - ggf. über einen Schaltverstärker - steuerbaren elektro­ nischen Schalter, z. B. einem Schalttransistor, und mit einer Betriebsspannungsver­ sorgungsschaltung für die Zurverfügungstellung der vom Anwesenheitsindikator und ggf. vom Schaltverstärker benötigten Betriebsspannung (= interne Betriebs­ spannung).

Elektronische Schaltgerät der zuvor beschriebenen Art sind kontaktlos ausgeführt und werden seit etwa dreißig Jahren in zunehmendem Maße anstelle von elektri­ schen, mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgeführt sind, ver­ wendet, insbesondere in elektrischen bzw. elektronischen Meß-, Steuer- und Regel­ schaltungen. Das gilt insbesondere für Näherungsschalter, d. h. für elektronische Schaltgeräte, die berührungslos arbeiten. Mit solchen Schaltgeräten wird indiziert, ob sich ein Beeinflussungselement, für das der entsprechende Näherungsschalter sensitiv ist, dem Näherungsschalter hinreichend weit genähert hat. Hat sich nämlich ein Be­ einflussungselement, für das der entsprechende Näherungsschalter sensitiv ist, dem Näherungsschalter hinreichend weit genähert, so steuert der Anwesenheitsindikator den elektronischen Schalter um; bei einem als Schließer ausgeführten Schaltgerät wird der zunächst nichtleitend gewesene elektronische Schalter leitend, während bei einem als Öffner ausgeführten Schaltgerät der zunächst leitend gewesene elektroni­ sche Schalter nunmehr sperrt. (Mit Schaltgeräten der in Rede stehenden Art kann auch indiziert werden, ob eine physikalische Größe eines Beeinflussungsmediums, für die das Schaltgerät sensitiv ist, einen entsprechenden Wert erreicht hat.)

Schaltgeräte der in Rede stehenden Art, insbesondere induktive, kapazitive oder op­ toelektronische Näherungsschalter oder Strömungswächter, werden in der Regel als verpolungsfeste Schaltgeräte ausgeführt, d. h. die Schaltgeräte weisen mindestens eine Verpolschutzdiode auf. Dies führt dazu, daß im durchgeschalteten Zustand des Schaltgeräts - in dem eigentlich kein Spannungsabfall auftreten soll - ein an der Ver­ polschutzdiode entstehender zusätzlicher - unerwünschter - Spannungsabfall auftritt. Ein solcher zusätzlicher Spannungsabfall ist auch gleichbedeutend mit einer Erhö­ hung der Verlustleistung. Das zuvor Gesagte gilt unabhängig von der Art des Schalt­ geräts sowohl für 2-Leiter- als auch für 3-Leiter-Schaltgeräte und sowohl für AC- als auch für DC-Schaltgeräte.

Bei 2-Leiter-Schaltgeräten tritt zusätzlich folgendes Problem hinzu:
Bei elektronischen Schaltgeräten, die über einen Außenleiter mit einem Pol einer Spannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers verbindbar sind, d. h. bei 2-Leiter-Schaltgeräten, ist die Zurverfü­ gungstellung der vom Anwesenheitsindikator und ggf. vom Schaltverstärker benö­ tigten Betriebsspannung (= interne Betriebsspannung) bzw. des benötigten Be­ triebsstroms nicht unproblematisch, weil ja sowohl im leitenden Zustand als auch im gesperrten Zustand des Schaltgerätes die interne Betriebsspannung bzw. der Be­ triebsstrom zur Verfügung gestellt werden muß.

Es ist belanglos, ob man von der Zurverfügungstellung einer internen Betriebsspan­ nung oder eines Betriebsstroms spricht, weil der Anwesenheitsindikator und ggf. der Schaltverstärker selbstverständlich elektrische Leistung benötigen, also sowohl eine interne Betriebsspannung als auch ein Betriebsstrom benötigen (vgl. die ausführliche Darstellung dieses Sachverhaltes in der deutschen Auslegeschrift 23 30 233, insbe­ sondere Spalte 5, Zeile 68, bis Spalte 6, Zeile 33).

Von ihrer Funktion als Schaltgeräte her soll bei 2-Leiter-Schaltgeräten im leitenden Zustand praktisch kein Spannungsabfall auftreten und im gesperrten Zustand prak­ tisch kein Strom fließen. Da aber dann, wenn bei 2-Leiter-Schaltgeräten, im leitenden Zustand kein Spannungsabfall aufträte, auch keine interne Betriebsspannung für den Anwesenheitsindikator und ggf. den Schaltverstärker gewonnen werden könnte, und dann, wenn im gesperrten Zustand kein Strom flösse, auch kein Betriebsstrom gewonnen werden könnte, gilt für alle elektronischen Schaltgeräte mit nur zwei Au­ ßenleitern, daß im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt und im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt.

Aus dem, was zuvor ausgeführt worden ist, folgt, daß dann, wenn schon, ungewollt, aber funktionsnotwendig, bei elektronischen 2-Leiter-Schaltgeräten im leitenden Zu­ stand ein Spannungsabfall auftritt und im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt, der Spannungsabfall und der Reststrom so gering wie möglich sein sollen.

Der Problemkreis "Reduzierung des Spannungsabfalls im leitenden Zustand des Schaltgeräts" ist zunächst bereits in den deutschen Offenlegungsschriften bzw. Aus­ legeschriften bzw. Patentschriften 19 51 137, 21 27 956, 26 13 423 und 27 11 877 behandelt.

Bei elektronischen 2-Leiter-Schaltgeräten ist auch bereits erkannt worden, daß sich der Spannungsabfall im leitenden Zustand des Schaltgeräts weiter reduzieren läßt, wenn man die Betriebsspannungsversorgungsschaltung (für die Zurverfügungstel­ lung der vom Anwesenheitsindikator und ggf. vom Schaltverstärker benötigten Be­ triebsspannung = interne Betriebsspannung) mit einem DC/DC-Wandler versieht, - weil mit einem solchen DC/DC-Wandler im Sekundärkreis eine höhere Wandler­ spannung als im Primärkreis gewonnen werden kann, folglich der Spannungsabfall im leitenden Zustand des Schaltgeräts geringer sein kann als die benötigte interne Be­ triebsspannung (vgl. die deutschen Offenlegungsschriften 28 08 156, 29 22 309 und 33 20 975).

Im übrigen sind elektronische 2-Leiter-Schaltgeräte bekannt, bei denen der steuer­ bare elektronische Schalter eine relativ hohe Steuerspannung benötigt. Das gilt ins­ besondere dann, wenn als elektronischer Schalter ein MOS-FET-Leistungstransistor vorgesehen ist (vgl. dazu die deutschen Patentschriften 31 46 709, 33 20 975 und 33 21 838); in diesem Fall wird, abhängig vom über den MOS-FET-Leistungstransistor fließenden Laststrom, eine Gatespannung von etwa 4 V bis 6 V benötigt.

Insbesondere bei 2-Leiter-DC-Schaltgeräten ist man bestrebt, die Restspannung, d. h. den Spannungsabfall im durchgeschalteten Zustand des Schaltgeräts, möglichst ge­ ring zu halten. DC-Schaltgeräte werden häufig an eine systemprogrammierbare Steuerung (SPS) angeschlossen, wobei die SPS-Norm als Maximalwert für die Rest­ spannung 5 V vorsieht. Da mit 3-Leiter-DC-Schaltgeräten ein Maximalwert für die Restspannung von 2,5 V erreicht wird, ist man bestrebt, auch für 2-Leiter-DC-Schalt­ geräte einen ähnlichen Wert zu erreichen.

Eingangs ist gesagt worden, daß zu elektronischen Schaltgeräten, von denen die Er­ findung ausgeht, ein von außen beeinflußbarer Anwesenheitsindikator, gegebenen­ falls ein Schaltverstärker und eine Betriebsspannungsversorgungsschaltung gehören. Üblicherweise sind ein Teil des Anwesenheitsindikators, zumindest ein Teil des Schaltverstärkers und häufig auch ein Teil der Betriebsspannungsversorgungsschal­ tung in einem IC (IC = integrierter Schaltkreis) verwirklicht. Diese IC's haben einen Mindestspannungsbedarf von ca. 2 V bis 2,5 V. Zu diesem für den Betrieb des IC's und damit für den Betrieb des Schaltgerätes notwendigen Mindestspannungsbedarf addiert sich bei einem verpolfesten Schaltgerät noch der Spannungsabfall über der Verpolschutzdiode von ca. 0,6 V, womit der angestrebte Wert von < 2,5 V für die Restspannung, d. h. für den Spannungsabfall am Schaltgerät in dessen durchgeschal­ teten Zustand, überschritten ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs be­ schriebenen verpolfesten Schaltgerät einen möglichst geringen Spannungsabfall im durchgeschalteten Zustand des Schaltgeräts zu realisieren, der bei einem 2-Leiter-DC- Schaltgerät 2,5 V nicht überschreiten soll.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß einem Schaltgeräteanschluß als Verpolschutz­ element ein invers betriebener Bipolartransistor nachgeschaltet ist. Inversbetrieb des Bipolartransistors bedeutet dabei, daß zur Steuerung des Bipolartransistors nicht des­ sen Basis-Emitter-Strecke bzw. dessen Emitter-Basis-Strecke sondern dessen Basis- Kollektor-Strecke bzw. dessen Kollektor-Basis-Strecke verwendet wird. Für einen invers betriebenen pnp-Transistor gilt,
daß im durchgeschalteten Zustand, und zwar im Sättigungsbetrieb, an der Kollektor-Emitter-Strecke ein sehr geringer Spannungsabfall auftritt, nämlich in der Größenordnung von etwa 10 mV bis maximal 100 mV, und
daß die Emitter-Kollektor-Sperrspannung und die Basis-Kollektor-Sperr­ spannung, die in der Größenordnung der Emitter-Kollektor-Sperrspannung liegt, hinreichend groß sind, so daß der invers betriebene Bipolartransistor als Verpolschutzelement mit hinreichend hoher Sperrspannung wirkt.

Weiter oben ist ausgeführt worden, daß bei elektronischen Schaltgeräten der hier in Rede stehenden Art üblicherweise ein Teil des Anwesenheitsindikators, zumindest ein Teil des Schaltverstärkers und häufig ein Teil der Betriebsspannungsversorgungs­ schaltung in einem IC verwirklicht sind. Im folgenden wird nun das häufig vorgese­ hene IC überwiegend insoweit in einem verallgemeinerten Sinn verstanden, also so getan wird, als bestünde das in Rede stehende Schaltgerät, bis auf erfindungsgemäße Maßnahmen und Bauteile, nur aus einem IC einerseits und dem elektronischen Schal­ ter andererseits. Tatsächlich gehören zu einem elektronischen Schaltgerät der in Rede stehenden Art selbstverständlich auch Bauteile, die nicht in dem IC verwirklicht sind. Das folgt schon aus der Formulierung, wonach ein Teil des Anwesenheitsindikators, zumindest ein Teil des Schaltverstärkers und häufig ein Teil der Betriebsspannungs­ versorgungsschaltung in einem IC verwirklicht sind. Wenn im folgenden häufig nur von einem IC gesprochen wird, so nur deshalb, um die Darstellung der Erfindung nicht komplizierter als erforderlich werden zu lassen. Die Erfindung umfaßt also folg­ lich selbstverständlich auch Schaltgeräte der in Rede stehenden Art, bei denen zu­ sätzlich zu dem IC und dem elektronischen Schalter weitere Bauteile verwirklichst sind. Selbstverständlich umfaßt die Erfindung im übrigen auch elektronische Schalt­ geräte der in Rede stehenden Art, bei denen ein IC überhaupt nicht verwirklicht ist, das also insgesamt aus einzelnen Bauteilen - diskret - aufgebaut ist.

Wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät der Kollektor des invers betriebenen Bipolartransistors, und zwar eines pnp-Transistors, an einen Schaltgeräteanschluß an­ geschlossen und der Emitter mit dem Eingang des IC's verbunden, so liegt im durch­ geschalteten Zustand am Emitter nahezu die gleiche Spannung an wie am Kollektor. Da der Spannungsabfall des durchgeschalteten Bipolartransistors im Inversbetrieb über der Kollektor-Emitter-Strecke nur wenige Millivolt beträgt, ist die am Eingang des IC's anliegende Betriebsspannung, die interne Betriebsspannung, nur geringfü­ gig, nämlich um wenige Millivolt, geringer als der Spannungsabfall am durchgeschal­ teten Schaltgerät, also als die sogenannte Restspannung. Bei Verwendung eines her­ kömmlichen, bei elektronischen Schaltgeräten der in Rede stehenden Art üblicher­ weise eingesetzten IC's mit einem Mindestspannungsbedarf von ca. 2 V bis 2,5 V be­ trägt somit auch der Spannungsabfall am Schaltgerät im durchgeschalteten Zustand lediglich ca. 2 V bis 2,5 V. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines invers betriebenen Bipolartransistors im Unterschied zu einer Verpolschutzdiode als Verpol­ schutzelement wird somit der durch den Verpolschutz bedingte zusätzliche Span­ nungsabfall am Schaltgerät von ca. 0,6 V auf wenige Millivolt reduziert.

Es gibt nun grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten, bei dem erfindungs­ gemäßen elektronischen Schaltgerät den invers betriebenen Bipolartransistor und den steuerbaren elektronischen Schalter einander zuzuordnen:
Aus dem, was zuvor insgesamt ausgeführt worden ist, folgt ohne weiteres, daß kri­ tisch nur der Spannungsabfall an der Reihenschaltung aus dem Verpolschutzelement und dem IC ist. Der funktionsnotwendige Spannungsabfall am Schaltgerät im durch­ geschalteten Zustand, also die Restspannung, soll durch das Verpolungsschutzele­ ment nicht wesentlich über die benötigte interne Betriebsspannung, also über den Mindestspannungsbedarf des IC's, angehoben werden. Demgegenüber ist der Span­ nungsabfall an einem Verpolschutzelement in Verbindung mit dem Spannungsabfall am leitend gesteuerten elektronischen Schalter unkritisch, weil der Spannungsabfall an der Reihenschaltung aus einem Verpolschutzelement und der Schaltstrecke des leitend gesteuerten elektronischen Schalters ohnehin so sein muß, daß der Mindest­ spannungsbedarf des IC's zur Verfügung steht und dies auch dann ohne weiteres er­ reichbar ist, wenn als Verpolschutzelement eine Verpolschutzdiode mit einem Span­ nungsabfall von etwa 0,6 V verwendet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät kann also eine Reihenschal­ tung aus einem Verpolschutzelement, beispielsweise einer Verpolschutzdiode, und aus der Schaltstrecke des elektronischen Schalters der Reihenschaltung der Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines invers betriebenen pnp-Transistors und dem IC parallel ge­ schaltet sein. Vorzugsweise wird jedoch der invers betriebene Bipolartransistor sowohl als Verpolschutz für das IC als auch für den elektronischen Schalter, z. B. ei­ nen Schalttransistor, verwendet, nämlich dadurch, daß der Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors und aus dem IC die Reihenschaltung aus der Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebenen Bipolar­ transistors und aus der Schaltstrecke des elektronischen Schalters parallel geschaltet ist. Dann dient die Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransi­ stors als Verpolschutz für das IC und die Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebe­ nen Bipolartransistors als Verpolschutz für den elektronischen Schalter, z. B. einen Schalttransistor.

Bisher ist immer dargestellt worden, daß zu dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät ein von dem Anwesenheitsindikator steuerbarer elektronischer Schalter gehört, der als Schalttransistor ausgeführt sein kann. Gelegentlich ist auch dargestellt worden, daß der invers betriebene Bipolartransistor ein pnp-Transistor sein kann. Das eine wie das andere ist nicht zwingend notwendig; einerseits muß als elektronischer Schalter nicht zwingend ein Schalttransistor vorgesehen sein, andererseits kann als Bipolartransistor auch ein npn-Transistor verwendet werden, der dann entsprechend einzuordnen ist. Im folgenden wird nun jedoch der Einfachheit halber immer davon ausgegangen, daß als elektronischer Schalter ein Schalttransistor und als invers be­ triebener Bipolartransistor ein pnp-Transistor vorgesehen sind.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerätes, bei der der invers betriebene Bipolartransistor sowohl als Verpolschutz für das IC als auch für den Schalttransistor dient und im einzelnen die Kollektor-Ba­ sis-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors geschaltet ist und der invers betriebene Bipolartransistor über den Schalttransistor steuerbar ist, ist im gesperrten Zustand des Schalttransistors auch der invers betriebene Bipolartransistor gesperrt. Bei dieser Ausführungsform muß also sichergestellt sein, daß bei gesperrtem Schalttransistor und - daraus resultierend - ge­ sperrtem Bipolartransistor an dem IC die interne Betriebsspannung anliegt und dem IC der erforderliche Betriebsstrom zugeführt wird. Das kann dadurch realisiert sein, daß der Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors eine erste Hilfsdiode parallel geschaltet ist. Bei gesperrtem Schalttransistor und - daraus resultie­ rend - gesperrtem invers betriebenen Bipolartransistor sorgt dann die erste Hilfsdiode dafür, daß am IC die erforderliche interne Betriebsspannung ansteht und dem IC der erforderliche Betriebsstrom zufließt.

Elektronische Schaltgeräte der hier in Rede stehenden Art weisen häufig eine Zu­ stands-LED auf. Diese Zustands-LED signalisiert optisch, ob das elektronische Schaltgerät - über den Anwesenheitsindikator - aktiviert ist; bei einem als Schließer ausgeführten elektronischen Schaltgerät leuchtet die Zustands-LED, wenn das Schaltgerät durchgeschaltet ist. Bei einer solchen Ausführungsform eines elektroni­ schen Schaltgerätes, also einer Ausführungsform mit Zustands-LED, empfiehlt es sich, die Zustands-LED über eine zweite Hilfsdiode mit dem Schaltgeräteanschluß zu ver­ binden, mit dem auch der Kollektor des invers betriebenen Bipolartransistors verbun­ den ist; anders ausgedrückt ist dann die Zustands-LED über die zweite Hilfsdiode mit dem Kollektor des invers betriebenen Bipolartransistors verbunden. Bei dieser Aus­ führungsform wird also der in das Schaltgerät - über den bisher immer angespro­ chenen Schaltgeräteanschluß - hineinfließende Strom in Abhängigkeit vom Schaltzu­ stand des Schaltgerätes in unterschiedlicher Weise aufgeteilt. Im durchgeschalteten Zustand des Schaltgerätes fließen von dem in das Schaltgerät hineinfließenden Strom, Laststrom genannt, weil dieser Strom über die externe Last fließt,
der größte Teil des Laststromes über die Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors und über die Schaltstrecke des Schalttransi­ stors,
der vom IC benötigte Betriebsstrom über die Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors in das IC und
der von der Zustands-LED benötigte LED-Strom über die zweite Hilfsdiode in die Zustands-LED, - die ihrerseits vom IC gesteuert wird.

Im gesperrten Zustand des Schaltgerätes fließt der vom IC benötigte Betriebsstrom über die erste Hilfsdiode in das IC. (Das zuvor Gesagte gilt für den Fall, daß es sich bei dem in Rede stehenden Schaltgerät um einen Schließer handelt. Handelt es sich dem­ gegenüber um einen Öffner, so liegen die Verhältnisse natürlich entsprechend an­ ders.)

Für die zuvor beschriebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroni­ schen Schaltgerätes mit einer Zustands-LED und einer zweiten Hilfsdiode gilt zunächst, daß die zweite Hilfsdiode eine Aufteilung des nicht über den Schalttransi­ stor fließenden Teils des Laststromes bewirkt, nämlich eine Aufteilung in einerseits den vom IC benötigten Betriebsstrom und andererseits in den von der Zustands-LED benötigten LED-Strom. Im übrigen wirkt die zweite Hilfsdiode als Verpolschutzele­ ment für die Zustands-LED.

Vorzugsweise ist im übrigen als erste Hilfsdiode und/oder als zweite Hilfsdiode eine Schottky-Diode verwendet.

Einleitend ist im einzelnen dargestellt worden, welche Probleme mit 2-Leiter-Schalt­ geräten verbunden sind, nämlich einerseits das Problem des im durchgeschalteten Zu­ stand auftretenden Spannungsabfalls, Restspannung genannt, andererseits aber auch das Problem des im gesperrten Zustands erforderlichen Reststromes.

Zuvor ist erläutert worden, daß sich bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät im durchgeschalteten Zustand der Laststrom aufteilt, nämlich ein Teil des Laststromes, üblicherweise der größte Teil, über den Schalttransistor fließt, während ein anderer Teil des Laststromes, üblicherweise ein relativ geringer Teil, als Betriebs­ strom für das IC und gegebenenfalls als LED-Strom für eine Zustands-LED benötigt wird.

Um nun bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät einen relativ gerin­ gen Laststrom zuzulassen, geht eine weitere Lehre der Erfindung dahin, für den durchgeschalteten Zustand bei einem geringen Laststrom den Schalttransistor zu sperren, - so daß dann der Laststrom nur noch als Betriebsstrom in das IC und als LED-Strom über die Zustands-LED fließt.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, anderer­ seits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeich­ nung. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäßen elektronischen Schaltgeräts,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten, und zwar bevorzugten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels ei­ nes erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts und

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts, wiederum als Blockschaltbild.

Die in den Figuren - teilweise und teilweise nur schematisch - dargestellten Schaltge­ räte arbeiten berührungslos. Insbesondere kann es sich dabei um induktive, kapaziti­ ve oder optoelektronische Näherungsschalter oder um Strömungswächter handeln.

Den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1, 2 und 4 ist gemeinsam, daß sie als ein­ fach verpolungsfeste Schaltgeräte ausgebildet sind. Demgegenüber handelt es sich bei dem in Fig. 3 teilweise dargestellten Schaltgerät um ein zweifach verpolfestes, d. h. um ein unipolares Schaltgerät. Allen in den Figuren dargestellten Schaltgeräten ist darüber hinaus gemeinsam, daß es sich um 2-Leiter-Schaltgeräte handelt, ohne daß die Erfindung lediglich auf 2-Leiter-Schaltgeräte beschränkt ist.

Die in den Figuren dargestellten elektronischen Schaltgeräte besteht zunächst aus ei­ nem von außen beeinflußbaren Anwesenheitsindikator, z. B. einem in Fig. 2 darge­ stellten Oszillator 1, einem von dem Oszillator 1 - ggf. über einen Schaltverstärker - steuerbaren Schalttransistor 2 - in allen Figuren als npn-Transistor ausgeführt - und einer Betriebsspannungsversorgungsschaltung 3 für die Zurverfügungstellung der vom Anwesenheitsindikator und ggf. vom Schaltverstärker benötigten Betriebsspan­ nung (= innere Betriebsspannung).

In den Fig. 1, 2 und 4 ist ein IC 4 angedeutet. In diesem IC 4 ist zunächst ein Teil des - nur in Fig. 2 angedeuteten - Oszillators 1 verwirklicht; nicht Bestandteil des IC's 4 sind zu dem Oszillator 1 gehörende, nicht integrierbare Bauteile, in Fig. 2 dargestellt ein Schwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator. In dem IC 4 ist weiter verwirklicht ein im einzelnen nicht beschriebener und hier auch nicht darge­ stellter Schaltverstärker; der Schalttransistor 2 wird über den Schaltverstärker von dem Oszillator 1 gesteuert. Im IC 4 ist schließlich in den dargestellten Ausführungs­ beispielen auch die Betriebsspannungsversorgungsschaltung 3 verwirklicht. Das geht natürlich nur dann, wenn die externe Betriebsspannung des Schaltgerätes nicht zu groß ist; ist die externe Betriebsspannung des Schaltgerätes größer als die am IC 4 maximal zulässige Spannung, so gehören zu der Betriebsspannungsversorgungs­ schaltung noch externe, nicht dargestellte Bauteile, häufig insbesondere ein soge­ nannter Längsregler.

Wesentlich für das erfindungsgemäße verpolfeste Schaltgerät ist nun, daß als Verpol­ schutzelement ein invers betriebener Bipolartransistor 5 vorgesehen ist. In allen in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem invers betriebenen Bipolartransistor 5 jeweils um einen npn-Transistor.

In allen dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den erfindungsge­ mäßen Schaltgeräten um 2-Leiter-DC-Schaltgeräte. In Verbindung damit zeigt Fig. 2, daß eine Last 6 einerseits an den Pluspol +U_v, der Versorgungsspannung (= äußere Betriebsspannung), andererseits an einen Schaltgeräteanschluß 7 des Schaltgerätes angeschlossen ist. Dem Schaltgeräteanschluß 7 ist der als Verpolschutzelement wir­ kende invers betriebene Bipolartransistor 5 nachgeschaltet. Der Kollektor 8 des in­ vers betriebenen Bipolartransistors 5 ist mit dem Schaltgeräteanschluß 7 verbunden, und der Emitter 9 des Bipolartransistors 5 ist mit einem Betriebsspannungsversor­ gungsanschluß 10 des IC's 4 verbunden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Basis 11 des invers betriebenen Bipolar­ transistors 5 über einen Basiswiderstand 12 mit dem zweiten Schaltgeräteanschluß 13 des erfindungsgemäßen Schaltgerätes verbunden, der betriebsmäßig mit dem Minus­ pol -U_v, der Versorgungsspannung (= äußere Betriebsspannung) zu verbinden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient also der invers betriebene Bipolartransistor 5 nur als Verpolschutzelement für das IC 4. Als Verpolschutzelement für den Schalttransi­ stor 2 ist zusätzlich eine Verpolschutzdiode 14 vorgesehen. Es ist also die Reihen­ schaltung aus der Verpolschutzdiode 14 und der Schaltstrecke des Schalttransistors 2 parallel geschaltet zur Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors 5 und dem IC 4.

Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist bei dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 2 der invers betriebene Bipolartransistor 5 sowohl als Verpolschutz für das IC 4 als auch für den Schalttransistor 2 verwendet. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel ist die Reihenschaltung aus der Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors 5 und der Schaltstrecke des Schalttransistors 2 der Reihenschal­ tung aus der Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 5 und dem IC 4 parallel geschaltet. Die Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors 5 dient als Verpolschutz für das IC 4, und die Kollektor-Basis-Strecke des Bipolartran­ sistors 5 dient als Verpolschutz für den Schalttransistor 2.

Für das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektro­ nischen Schaltgerätes gilt nun weiter, daß der invers betriebene Bipolartransistor 5 über den Schalttransistor 2 steuerbar ist; im gesperrten Zustand des Schalttransi­ stors 2 ist also auch der invers betriebene Bipolartransistor 5 gesperrt. Folglich muß sichergestellt sein, daß bei gesperrtem Schalttransistor 2 und - daraus resultierend - gesperrtem Bipolartransistor 5 an dem IC 4 die benötigte interne Betriebsspannung anliegt und dem IC 4 der erforderliche Betriebsstrom zugeführt wird. Das ist dadurch realisiert, daß der Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransis­ tors 5 eine erste Hilfsdiode 15 parallel geschaltet ist. Bei gesperrtem Schalttransistor 2 und - daraus resultierend - gesperrtem invers betriebenen Bipolartransistor 5 sorgt die erste Hilfsdiode 15 dafür, daß am IC 4 die erforderliche interne Betriebsspannung ansteht und dem IC 4 der erforderliche Betriebsstrom zufließt.

Bei dem erfndungsgemäßen elektronischen Schaltgerät wird, wie im Stand der Tech­ nik bekannt, der Spannungsabfall über der Schaltstrecke des Schalttransistors 2 vom IC 4 geregelt. Das IC 4 steuert also den Schalttransistor 2 nur soweit durch, daß im durchgeschalteten Zustand der Spannungsabfall an der Schaltstrecke des Schalttran­ sistors 2 hinreichend groß ist, so daß am IC 4 die erforderliche interne Betriebsspan­ nung ansteht.

Da der Spannungsabfall des durchgeschalteten Bipolartransistors 5 im Inversbetrieb über der Kollektor-Emitter-Strecke nur wenige Millivolt beträgt, ist die am Eingang des IC's 4 anliegende interne Betriebsspannung nur geringfügig, nämlich um wenige Millivolt, geringer als der Spannungsabfall am durchgeschalteten Schaltgerät, also als die sogenannte Restspannung. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines in­ vers betriebenen Bipolartransistors 5 als Verpolschutzelement wird der durch den Verpolschutz bedingte zusätzliche Spannungsabfall am Schaltgerät auf wenige Milli­ volt reduziert.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 fließt im durchgeschalteten Zustand des Schaltge­ rätes der größte Teil des insgesamt über das Schaltgerät fließenden Laststroms über die in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors 2 liegende Verpolschutzdi­ ode 14. Folglich wird an der Verpolschutzdiode 14 und durch die Verpolschutzdiode 14 elektrische Energie verbraucht, was unerwünscht sein kann. Im Gegensatz dazu findet im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein solcher Verbrauch von elektrischer Energie nicht statt, weil bei diesem Ausführungsbeispiel eine Verpolschutzdiode nicht vorgesehen ist, vielmehr, wie zuvor erläutert, der invers betriebene Bipolartransistor 5 sowohl als Verpolschutz für das IC 4 als auch für den Schalttransistor 2 dient.

In den in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer elektronischer Schaltgeräte ist jeweils eine Zustands-LED 16 vorgesehen. Diese Zu­ stands-LED 16 signalisiert optisch, ob das elektronische Schaltgerät - über den An­ wesenheitsindikator, z. B. über den Oszillator 1 in Fig. 2 - aktiviert ist; bei einem als Schließer ausgeführten elektronischen Schaltgerät leuchtet die Zustands-LED 16, wenn das Schaltgerät durchgeschaltet ist. Die Zustands-LED 16 wird in den darge­ stellten Ausführungsbeispielen, wie im Stand der Technik bekannt, vom IC 4 gesteu­ ert.

Die Fig. 2 zeigt nun auch insoweit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen elektronischen Schaltgerätes, als die Zustands-LED 16 mit ihrer An­ ode 17 nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, mit dem Emitter 9 des Bipolamansistors 5, son­ dern über eine zweite Hilfsdiode 18 mit dem Schaltgeräteanschluß 7 verbunden ist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird also der in das Schaltgerät - über den Schaltgeräteanschluß 7 - hineinfließende Strom in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schaltgerätes in unterschiedlicher Weise aufgeteilt. Im durchge­ schalteten Zustand des Schaltgerätes fließen von dem in das Schaltgerät hinein­ fließenden Strom, Laststrom genannt, weil dieser Strom über die externe Last 6 fließt,
der größte Teil des Laststromes über die Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors 5 und über die Schaltstrecke des Schalttransi­ stors 2,
der vom IC 4 benötigte Betriebsstrom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 5 in das IC 4 und
der von der Zustands-LED 16 benötigte LED-Strom über die zweite Hilfsdi­ ode 18 in die Zustands-LED 16, - die ihrerseits, wie bereits ausgeführt, vom IC 4 gesteuert wird.

Im gesperrten Zustand des Schaltgerätes fließt der vom IC 4 benötigte Betriebsstrom über die erste Hilfsdiode 15 in das IC 4.

Die zuvor für den durchgeschalteten Zustand des Schaltgerätes aufgezeigte Auftei­ lung des Laststromes, bei der also der von der Zustands-LED 16 benötigte LED- Strom über die zweite Hilfsdiode 18 in die Zustands-LED 16 fließt, führt insbesondere dann, wenn für die erste Hilfsdiode 15 und die zweite Hilfsdiode 18 Schottky-Dioden verwendet werden, zu einem verringerten Spannungsabfall an den Hilfsdioden 15, 18.

Um bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät auch einen relativ gerin­ gen Laststrom zulassen zu können, ist das - den Schalttransistor 2 steuernde - IC 4 im einzelnen so ausgeführt, daß der Schalttransistor 2 bei einem geringen Laststrom sperrt. Bei kleinen Lastströmen - von ca. 3,5 mA bis 4 mA - wird der Laststrom nicht mehr über die Kollektor-Basis-Strecke des Bipolartransistor 5 und die Schaltstrecke des Schalttransistors 2 geführt, sondern nur noch über das IC 4 geleitet. Hierzu regelt das IC 4 den Basisstrom des Schalttransistors 2 bei Erreichen einer Untergrenze für den Laststrom ab, wodurch der Schalttransistor 2 in den gesperrten Zustand übergeht und somit auch der invers betriebene Bipolartransistor 5 sperrt. In diesem Fall fließt dann der von dem IC 4 benötigte Betriebsstrom nicht mehr über den invers betriebe­ nen Bipolartransistor 5, sondern über die dazu parallel geschaltete erste Hilfsdiode 15. Obwohl sich das elektronische Schaltgerät - aufgrund des Zustands des Oszillators 1 - im leitenden Zustand befindet, wird bei kleinen Lastströmen der Schalttransistor 2 ge­ sperrt, um den für das IC 4 benötigten Betriebsstrom und den für die Zustands-LED 16 benötigten LED-Strom zur Verfügung zu stellen. Durch die Trennung von Be­ triebsstrom für das IC 4 und LED-Strom für die Zustands-LED 16 wird zusätzlich er­ reicht, daß der Abschaltpunkt des Schalttransistors 2 durch das IC 4 in Richtung kleiner Lastströme verschoben wird. Durch die separate Führung des von der Zu­ stands-LED 16 benötigten LED-Stroms über die zweite Hilfsdiode 18 muß im noch geschalteten Zustand des Schalttransistors 2 und damit auch des invers betriebenen Bipolartransistors 5 nur der wesentlich geringere Betriebsstrom des IC's 4 - ca. 0,4 mA - als Kollektor-Emitter-Strom durch den invers betriebenen Bipolartransistor 5 fließen. Für einen geringen Kollektor-Emitter-Strom des invers betriebenen Bipolamansistors 5 ist jedoch auch nur ein geringer Kollektor-Basis-Strom notwendig.

Bei geringen Lastströmen, bei denen das IC 4 den Schalttransistor 2 abgeschaltet hat, beträgt die benötigte Spannung über dem IC 4 ca. 2 Volt. Zu dieser Spannung ad­ diert sich nun der Spannungsabfall über der ersten Hilfsdiode 15, die den Betriebs­ strom für das IC 4 führt. Insbesondere bei Verwendung einer Schottky-Diode für die erste Hilfsdiode 15 ist der Spannungsabfall an der ersten Hilfsdiode 15 bei einem le­ diglich benötigten Betriebsstrom von ca. 0,4 mA für das IC 4 äußerst gering, so daß der Spannungsabfall an dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät, also die sogenannte Restspannung, bei kleinen Lastströmen - invers betriebener Bipolartran­ sistor 5 gesperrt - nahezu gleich dem Spannungsabfall bei großen Lastströmen - in­ vers betriebener Bipolartransistor 5 durchgeschaltet - ist.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Teils eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts, welches als sogenanntes unipolares Schaltgerät ausgebildet ist. Hierzu ist zusätzlich zu dem zwischen den ersten Schaltgeräteanschluß 7 und das IC 4 ge­ schalteten invers betriebenen Bipolartransistor 5 ein zweiter invers betriebener Bipo­ lartransistor 19 zwischen den zweiten Schaltgeräteanschluß 13 und das IC 4 geschal­ tet. Darüber hinaus sind zwischen den ersten Schaltgeräteanschluß 7 und den zwei­ ten Schaltgeräteanschluß 13 doppelt wirkende Verpolschutzelemente, nämlich eine Graetzbrücke 20, bestehend aus vier Verpolschutzdioden 21 bis 24, geschaltet. Vor­ teilhafterweise sind auch hierbei die Verpolschutzdioden 21 bis 24 als Schottky-Di­ oden ausgebildet.

Bei einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform eines unipolaren, er­ findungsgemäßen elektronischen Schaltgeräts ist jeder Verpolschutzdiode der Graetz­ brücke ein invers betriebener Bipolartransistor parallel geschaltet, so daß das elek­ tronische Schaltgerät insgesamt vier invers betriebene Bipolartransistoren aufweist. Ein solches unipolares elektronisches Schaltgerät kann dann sowohl als anschlußpro­ grammierbares DC-Schaltgerät als auch als ACfDC-Schaltgerät ausgeführt sein.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroni­ schen Schaltgeräts, welches im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 zusätzlich einen Hilfstransistor 25 aufweist. Dieser Hilfstransistor 25 dient dazu, einen sprunghaften Anstieg des Spannungsabfalls über der Kollektor- Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors 5 zu verhindern, wenn das IC 4 den Schalttransistor 2 bei einem geringen Laststrom abschaltet. Ohne den Hilfstransistor 25 geht der invers betriebene Bipolartransistor 5 sofort mit der Ab­ schaltung des Schalttransistors 2 in den gesperrten Zustand über, wodurch die Span­ nung über der Emitter-Kollektor-Strecke von einigen 10 mV auf mehrere 100 mV - bedingt durch die Hilfsdiode 15 - springt. Aufgrund des Hilfstransistors 25 wird der Abschaltzeitpunkt des invers betriebene Bipolartransistor 5 verzögert, so daß kein sprunghafter Spannungsanstieg auftritt.

Claims (11)

1. Elektronisches, vorzugsweise berührungslos arbeitendes, verpolfestes Schaltgerät, insbesondere 2-Leiter-DC-Schaltgerät, mit einem von außen beeinflußbaren Anwe­ senheitsindikator, z. B. einem Oszillator (1), mit einem von dem Anwesenheitsindika­ tor - ggf. über einen Schaltverstärker - steuerbaren elektronischen Schalter, z. B. ei­ nem Schalttransistor (2), und mit einer Betriebsspannungsversorgungsschaltung (3) für die Zurverfügungstellung der vom Anwesenheitsindikator und ggf. vom Schalt­ verstärker benötigten Betriebsspannung (= interne Betriebsspannung), dadurch ge­ kennzeichnet, daß einem Schaltgeräteanschluß (7) als Verpolschutzelement ein invers betriebener Bipolartransistor (5) nachgeschaltet ist.

2. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil des Anwe­ senheitsindikators, ggf. zumindest ein Teil des Schaltverstärkers und zumindest ein Teil der Betriebsspannungsversorgungsschaltung (3) in einem IC (4) verwirklicht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der invers betriebene Bipolartransistor (5) sowohl als Verpolschutz für das IC (4) als auch für den Schalttransistor (2) dient.

3. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Basis-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors (5) in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors (2) geschaltet ist und der invers betriebene Bipo­ lartransistor (5) über den Schalttransistor (2) steuerbar ist.

4. Elektronisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kollektor-Emitter-Strecke des invers betriebenen Bipolartransistors (5) eine erste Hilfsdiode (15) parallel geschaltet ist.

5. Elektronisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Zustands- LED (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Zustands-LED (16) über eine zweite Hilfsdiode (18) mit dem Schaltgeräteanschluß (7) verbunden ist, mit dem auch der Kollektor des invers betriebenen Bipolartransistors (5) verbunden ist.

6. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 4 oder/und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hilfsdiode (15) oder/und die zweite Hilfsdiode (18) als Schottky-Diode ausgebildet ist, bzw. sind.

7. Elektronisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schalttransistor (2) bei einem geringen Laststrom sperrt.

8. Elektronisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl dem ersten Schaltgeräteanschluß (7) als auch dem zweiten Schaltgeräteanschluß (13) ein invers betriebener Bipolartransistor (5, 19) nachge­ schaltet ist.

9. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem ersten Schaltgeräteanschluß (7) und dem zweiten Schaltgeräteanschluß (13) doppelt wirkende Verpolschutzelemente geschaltet sind.

10. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelt wirkenden Verpolschutzelemente als Graetzbrücke (20) mit vier Verpol­ schutzdioden (21, 22, 23, 24) ausgeführt sind.

11. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verpolschutzdiode ein invers betriebener Bipolartransistor parallel geschaltet ist.