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Schaltungsanordnung für einen elektronischen Kontakt Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen Ruhe- bzw. einen Arbeitskontakt.
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In der elektrischen Nachrichtentechnik, beispielsweise in Überwachungsschaltungen,
werden Kontakte in großer Zahl benötigt. Wegen der den mechanischen Kontakten anhaftenden
Nachteile, wie verhältnismäßig hoher Leistungsbedarf der Relais zum Schalten, der
mit dem Schalten zusammenhängenden Trägheit, die vor allem bei schnell aufeinanderfolgenden
Kontaktbetätigungen den Einsatz einengt sowie dem dann nicht immer prellfreien Schließen
der Kontakte, ist man bestrebt, mechanische Kontakte durch elektronische Kontakte
zu ersetzen.
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Schaltungsanordnungen für elektronische Kontakte sind an sich bekannt.
Bekannte Schaltungsanordnungen können å jedoch immer nur entweder einen Ruhekontakt
oder einen Arbeitskontakt ersetzen. Bei durchgeschaltetem Kontakt liegt zudem an
den Schalttransistoren eine unerwünschte Restspannung an, die wie ein nicht vollständig
durchgeschalteter Kontakt wirkt und seinen Übergangswiderstand erhöht. Bei geöffnetem
Kontakt treten ferner unerwünschte Restströme auf, die sich bei parallelliegenden
Kontakten summieren und einen zusätzlichen Leistungsaufwand darstellen. Die Schaltungsanordnungen
sind ferner auch gegen Überspannungen der Versorgungsspannung und dieser allenfalls
überlagerte Störspannungen sehr empfindlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung
für einen elektronischen Kontakt anzugeben, die mit nur geringer Änderung bedarfsweise
als Ruhekontakt oder als Arbeitskontakt eingesetzt werden kann, ferner die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung auch so auszulegen, daß sie bei geöffnetem Kontakt nur einen
kleinen
Reststrom und bei geschlossenem Kontakt nur eine kleine
Restspannung aufweist, außerdem auch so, daß sie bei geöffnetem Kontakt auch unempfindlich
gegen Überspannungen und diesen überlagerte hohe Störspannungen ist. Weiterhin ist
die Schaltungsanordnung auch so auszubilden, daß sie insbesondere bei geöffnetem
Kontakt nur eine kleine Leistung verbraucht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe unter Verwendung einer Schaltungsanordnung
mit einem pnp-Schalttransistor, dessen Emitter über den zu schaltenden Lastwiderstand
mit Minus und dessen Kollektor über einen Widerstand mit Plus der Versorgungsspannung
verbunden ist und dessen Basis über einen weiteren Widerstand mit dem Emitter sowie
mit dem Kollektor eines pnp-Steuertransistors verbunden ist, dessen Emitter an Plus
der Versorgungsspannung angeschlossen ist, durch die in den Patentansprüchen aufgeführten
Maßnahmen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1-10, die verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, beschrieben und näher erläutert.
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Die Fig.1 zeigt die Grundschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit dem Hilfstransistor T2 und mit der Anschaltung des weiteren Steuergliedes W,
das entweder zwischen der Basis des Steuertransistors T3 und Plus der Versorgungsspannung
oder zwischen der Basis des Steuertransistors T3 und dem Kollektor des Hilfstransistors
T2 angeschaltet ist. Je nach Art des verwendeten Steuergliedes W und seiner Anschaltung
ersetzt die Schaltungsanordnung einen mechanischen Ruhe- oder einen Arbeitskontakt.
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Die Figuren 2-10 zeigen verschiedene Beispiele für Steuerglieder W,
die mit der Schaltungsanordnung der Fig.1 verbunden, einen Ruhekontakt oder einen
Arbeitskontakt ergeben.
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Als. Steuerglieder W werden bipolare Transistoren, MOS- sowie Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
oder optoelektronische Bauteile verwendet.
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Die Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Ruhekontakt mit einem pnp-Vorstufentransistor Ti als
Steuerglied
W. D er V Der Vorstufentransistor T1 liegt zwischen der Basis des Steuertransistors
T3 und Plus der Versorgungsspannung. Zusätzlich ist noch der Kollektor des Vorstufentransistors
T3 über einen vierten Widerstand R4 mit dem Kollektor des Hilfstransistors T2 verbunden.
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Liegt keine Steuerspannung an der Basis des Vorstufentransistors Ti
und Plus der Versorgungsspannung an, ist dieser gesperrt. Über den zweiten und vierten
Widerstand R2, R4 erhält die Basis des Steuertransistors T3 eine negative Vorspannung.
Der Steuertransistor T3 beginnt durchzuschalten.
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Mit kleiner werdendem Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke nimmt
die positive Vorspannung des Hilfstransistors T2 zu, so daß dieser Strom zu führen
beginnt. Der Widerstand seiner Kollektor-Emitterstrecke, die parallel zum zweiten
Widerstand R2 liegt, wird kleiner. Damit steigt wiederum die negative Vorspannung
des Steuertransistors T3. Dieser schaltet weiter/und in der Folge auch der Hilfstransistor
T2. Ist der Steuertransistor T3 voll5durchgeschaltet, so liegt am Hilfstransistor
T2 und am Schalttransistor T4 eine so hohe positive Vorspannung, daß auch diese
Transistoren T2, T3 voll durchgeschaltet werden. Über den fünften Widerstand R5,
die niederohmige Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors T3 und den Lastwiderstand
RL ist der Stromkreis geschlossen.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung befindet sich im selbstleitenden
Zustand und stellt somit einen elektronischen Ruhekontakt dar.
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Liegt eine Gleichspannung, bzw. eine zu überwachende, gleichgerichtete,
geglättete Wechselspannung mit Minus an der Basis des Vorstufentransistors TI, so
schaltet dieser durch.
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Infolge des niederohmigen Widerstandes seiner Kollektor-Emitterstrecke
wird die negative Basisvorspannung des Steuertransistors T3 so weit herabgesetzt,
daß dieser gesperrt wird.
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Der nun hochohmige Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke des Steuertransistors
T3 setzt die positive gasisvorspannung des Hilfstransistors T2 und des Schalttransistors
T1 herab, so daß auch diese gesperrt werden - Arbeitskontakt - . Der Lastwiderstand
RL ist stromlos.
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Der erste Widerstand Ri in der Basisleitung des Hilfstransistors T2
begrenzt den bei unterschiedlichen Schaltzuständen des Steuertransistors T3 und
damit unterschiedlicher Höhe der Basisvorspannung des Hilfstransistors T2 sich ebenfalls
ändernden Basisstrom auf einen zulässigen Wert.
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Der zweite Widerstand R2, der dritte Widerstand R3 und der vierte
Widerstand R4 legen die Arbeitspunkte des Steuertransistors T3 und des Hilfstransistors
T2 fest. Gleichzeitig begrenzt der dritte Widerstand R3 aber auch die am Vorstufentransistor
Ti maximal anliegende Gleichspannung.
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Sind der Hilfstransistor T2, der Steuertransistor T3 und der Schalttransistor
Ti gesperrt, so fließt praktisch nur noch ein Reststrom über den zweiten Widerstand
R2, den dritten Widerstand R3 und den in Reihe liegenden durchgeschalteten Vorstufentransistor
T1 sowie den dazu parallelliegenden dritten Widerstand R3. Haben der Vorstufentransistor
Ti und der Steuertransistor T3 eine hohe Stromverstärkung, so ist zum Durchschalten
des Steuertransistors T3 nur ein geringer Basisstrom erforderlich. Der zweite Widerstand
R2 kann dann entsprechend groß gewählt und der bei gesperrtem Schalttransistor T1
noch fließende Reststrom entsprechend sehr klein gehalten werden.
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Die Fig.3 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Ruhekontakt mit einem selbstsperrenden Feldeffekttransistor Tia als Steuerglied
W. Er ist zwischen die Basis des Steuertransistors T3 und Plus der Versorgungsspannung
gesuhaltet. Über einen zusätzlichen vierten Widerstand R4a ist die Basis des Steuertransistors
T3 mit dem Kollektor des Hilfstransistors T2 verbunden. Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
ist grundsätzlich die gleiche wie die vorstehend beschriebene der Fig.2. Bei fehlender
oder zu kleiner Steuergleichspannung Ust an der Basis des Feldeffekttransistors
Tia ist er gesperrt. Über den zweiten Widerstand R2 bzw. den durchgeschalteten Hilf
stransistor T2 und den
vierten Widerstand R4a liegt am Steuertransistor
T3 negative Basisvorspannung, so daß er und der Schalttransistor T4 durchgeschaltet
sind. Liegt eine Steuergleichspannung Ust mit Minus an der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors
Tla, schaltet dieser durch und in der Folge werden, wie beschrieben, der Steuertransistor
T3, der Hilfstransistor T2 und der Schalttransistor T4 gesperrt.
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Die Fig.4 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Ruhekontakt mit einem selbstleitenden Feldeffekttransistor Tib als Steuerglied W,
der zwischen die Basis des Steuertransistors T3 iYid den Kollektor des Hilfstransistors
T2 geschaltet ist. Die Steuergleichspannung Ust liegt zwischen dem Gate des Feldeffekttransistors
Tlb und Plus der Versorgungsspannung.
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Liegt keine Steuergleichspannung Ust an, führt der Feldeffekttransistor
Tib Strom. An der Basis des Steuertransistors T3 liegt über den zweiten Widerstand
R2 bzw. den stromführenden Hilfstransistor T2 und den Feldeffekttransieine stor
Tlb/negative Vorspannung. Der Steuertransistor T3 ist durchgeschaltet und wie oben
beschrieben erhalten die Basis des Hilfstransistors T2 und der Schalttransistor
Ti positives Potential, so daß auch diese durchgeschaltet sind. Über den fünften
Widerstand R5 des Schalttransistors und den Lastwiderstand RL ist der Stromkreis
geschlossen.
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Wird der Feldeffekttransistor Tib durch eine am Gate anliegende positive
Steuergleichspannung Ust gesperrt, sinkt die negative Vorspannung an der Basis des
Steuertransistors 23. Der Steuertransistor T3 wird gesperrt. Damit wird auch die
positive Vorspannung des Hilfstransistors T2 und des Schalttransistors T4 so weit
herabgesetzt, daß diese ebenfalls gesperrt werden und der Stromkreis durch den Schalttransistor
T3 unterbrochen wird.
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Die Fig.5 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Ruhekontakt, bei der das Steuerglied W ein Fotowiderstand FW ist, der zwischen der
Basis des Steuertransistors
T3 und Plus der Versorgungsspannung
angeschlossen ist. Zusätzlich ist ein vierter Widerstand R4c zwischen Basis des
Steuertransistors T3 und Kollektor des Hilfstransistors T2 geschaltet.
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Fällt kein Licht auf den Fototransistor FW, so ist dieser hochohmig
und,wie vorangehend beschrieben, sind dann der Steuertransistor T3, der Hilfstransistor
T2 und der Schalttransistor T4 durchgeschaltet und der Stromkreis über den Schalttransistor
T4 geschlossen.
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Fällt Licht auf den Fototransistor FW, wird dieser niederohmig und
der Steuertransistor T3 wird, wie beschrieben, gesperrt und folglich der Hilfstransistor
T2 und der Schalttransistor T2 ebenfalls gesperrt. Der Stromkreis über den Schalttransistor
T4 ist unterbrochen.
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In der Fig.6 ist eine Schaltungsanordnung mit einem selbstsperrenden
Feldeffekttransistor T7d dargestellt, der zwischen die Basis des Steuertransistors
T3 und den Kollektor des Hilfstransistors T2 geschaltet, einen elektronischen Arbeitskontakt
ergibt. Zusätzlich ist zwischen die Basis des Steuertransistors T3 und Plus der
V ers orgungs spannung ein vierter Widerstand R4d geschaltet.
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Liegt keine Steuerspannung Ust am Feldeffekttransistor Tid, ist dieser
gesperrt. An der Basis des Steuertransistors T3 liegt nur eine geringe negative
Vorspannung, so daß dieser gleichfalls gesperrt ist. Da bei gesperrtem Steuertransistor
T3 an der Basis des Hilfstransistors T2 und an der Basis des Schalttransistors T3
nur eine sehr geringe positive Vorspannung anliegt, sind auch diese gesperrt und
der Stromkreis über den Schalttransistor T4 unterbrochen (Arbeitskontakt).
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Liegt dagegen am Gate des Feldeffekttransistors Tid eine positive
Steuergleichspannung, wird dieser niederohmig durchgesteuert. Über den zweiten Widerstand
R2 bzw. den dann ebenfalls durchgesteuerten Hilfstransistor T2 liegt eine negative
Vorspannung an der Basis des Steuertransistors T3 an, so daß
auch
dieser durchgeschaltet wird. Wie beschrieben, liegt in diesem Falle eine positive
Vorspannung an der Basis des Hilfstransistors T2 und an der Basis des Schalttransistors
T3, die ausreicht, diese ebenfalls durchzuschalten. Der Stromkreis über den Lastwiderstand
RL sowie den fünften Widerstand R5 ist durchgeschaltet.
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Die Fig.7 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Arbeitskontakt mit e einem einem npn-Vorstufentransistor T1e als Steuerglied W,
der mit dem Emitter an die Basis des Steuertransistors T3 und mit dem Kollektor
an den Kollektor des Hilfstransistors angeschaltet ist. Über einen vierten Widerstand
R4e ist die Basis des Steuertransistors T3 außerdem mit Plus der Versorgungsspannung
verbunden.
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Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung entspricht derjenigen der
Fig.6. Auch hier ist der Vorstufentransistor Tie bei Ausfall der Steuergleichspannung
gesperrt und bei angelegter Steuergleichspannung Ust durchgeschaltet. Entsprechend
sind im ersteren Falle der Steuertrajisistor T3, der Hilfstransistor T2 und der
Schalttransistor T4 gesperrt und im letzteren Falle durchgeschaltet.
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Die Fig.8 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Arbeitskontakt, bei der das Steuerglied W ein Fotowiderstand FW' ist. Er ist an
die Basis des Steuertransistors T3 und an den Kollektor des Hilfstransistors T2
geschaltet. Über einen vierten Widerstand R4f ist die Basis des Steuertransistors
T3 außerdem mit Plus der Versorgungsspannung verbunden.
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Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung entspricht der nach der Fig.5.
Fällt kein Licht auf den Fotowiderstand FW', so ist dieser hochohmig und der Steuertransistor
T3 gesperrt.
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Folglich sind dann wieder der Hilfstransistor T2 und der Schalttransistor
T4 gesperrt. Der Stromkreis über den Lastwiderstand RL ist unterbrochen.
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Fällt Licht auf den Fotowiderstand FW', ist dieser niederohmig.
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Die Basis des Steuertransistors T3 erhält über den zweiten Widerstand
bzw. den durchgeschalteten Hilfstransistor T2 und den niederohmigen Fotowiderstand
FW' eine negative Vorspannung.
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Der Steuertransistor T3 wird durchgeschaltet und folglich auch der
Schalttransistor T4. Der Stromkreis über den Lastwiderstand RL ist geschlossen.
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Die Fig.9 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung für einen elektronischen
Arbeitskontakt, bei der als Steuerglied W ein fotooptisches Element F1 vorgesehen
ist. Mit seiner Anode ist es an die Basis des Steuertransistors T3 und mit seiner
Kathode an den Kollektor des Hilfstransistors T2 sowie über eine in Durchlaßrichtung
gepolte Diode Di mit Plus der Versorgungsspannung verbunden.
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Fällt kein Licht auf das fotooptische Element Fi, liefert es keine
Spannung. An der Basis des Steuertransistors T3 liegt über den zweiten Widerstand
R2 und die Diode Di keine Vorspannung. Der Steuertransistor T3 ist gesperrt. Wie
beschrieben, sind dann auch der Hilfstransistor T2 und der Schalttransistor T4 gesperrt
(Arbeitskontakt).
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Fällt Licht auf das fotooptische Element, liefert es eine zusätzliche
negative Steuerspannung an die Basis des Steuertransistors T3. Diese reicht aus,
den Steuertransistor T3 durchzuschalten. Wie beschrieben, werden der Hilfstransistor
T2 und der Schalttransistor T4 ebenfalls durchgeschaltet (Ruhekontakt).
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Die Fig.70 zeigt noch eine weitere Schaltungsanordnung, bei der das
fotooptische Element F'1 so angeschaltet ist, daß sich ein elektronischer Ruhekontakt
ergibt. Das fotooptische Element F'i ist hier mit seiner Kathode an die Basis des
Steuertransistors T3 und mit seiner Anode über eine in Durchlaßrichtung gepolte
Diode D'2 mit Plus der Versorgungsspannung verbunden. Über einen vierten Widerstand
R4g ist die Kathode ferner mit dem Kollektor des Hilfstransistors T2
verbunden.
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Fällt kein Licht auf das fotooptische Element F'1, liefert es keine
Spannung. Die über den zweiten Widerstand R2 bzw.
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den durchgeschalteten Hilfstransistor T2 sowie den vierten Widerstand
R4g am fotooptischen Element B'1 und der Diode D'1 abfallende negative Vorspannung
an der Basis des Steuertransistors T3 schaltet diesen durch. Wie beschrieben werden
dann auch der Hilfstransistor T2 und der Schalttransistor T4 voll durchgeschaltet.
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Fällt Licht auf das fotooptische Element F'1, lief ertes eine Gegenspannung.
Die Vorspannung an der Basis des Steuertransistors T3 reicht nun nicht mehr aus,
den Steuertransistor T3 durchzuschalten. Der Steuertransistor T3 wird gesperrt und
folglich auch der Hilfstransistor T2 und der Schalttransistor T4.
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Um bei induktiver Last des Schalttransistors T4 die beim Öffnen des
elektronischen Kontaktes auftretenden Spannungsspitzen sowie der Versorgungsspannung
allenfalls überlagerte Störspannungen auf einen für den Schalttransistor T4 zulässigen
Wert zu begrenzen, ist die Basis des Schalttransistors T4 zusätzlich durch eine
Z-Diode D2 mit Plus der Versorgungsspannung verbunden. Ihre Z-Spannung ist so gewählt,
daß auch und bei Überspannungen die an der Emitter-Basisstrecke/an der Z-Diode abfallende
Spannung die zulässige Kollektor-Emitterspannung des Schalttransistors T4 nicht
übersteigt. Anstelle des dritten Widerstandes R3 in der Kollektorleitung des Hilfstransistors
T2 können auch mehrere in Durchlaßrichtung gepolte Dioden oder kann eine Z-Diode
D3 eingeschaltet werden. Am w Kollektor des Hilfstransistors T2 und am Steuergliediliegt
dann immer eine nahezu konstante Spannung.
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Der fünfte Widerstand R5 in der Kollektorleitung des Schalttransistors
T4 begrenzt bei durchgeschaltetem Schalttransistor T4 die an ihm anliegende Verlustleistung
auf den zulässigen Höchstwert. Er ist nur so groß gewählt, daß die zulässige Verlustleistung
des
Schalttransistors T4 nicht überschritten wird.
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Alle Schaltungsanordnungen können selbstverständlich auch mit Transistoren
entgegengesetzter Leitfähigkeit aufgebaut werden.