Annäherungsschalter
Ein bekannter Annäherungsschalter besitzt eine Annäherungselektrode, die von einem Schirm umgeben ist. Die Annäherungselektrode ist über einen Kondensator mit einer Zündelektrode einer Kaltkathodenröhre der Type ZC 1010 verbunden. Bei Annäherung eines eine Kapazität gegenüber dem Erdpotential bildenden Körpers, beispielsweise einer Person, an die Annäherungselektrode auf einen bestimmten Abstand fliesst über die Zündelektrode der Kaltkathodenröhre ein geringer Wechselstrom, der ausreicht, die Kaltkathodenröhre durchzuzünden. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der Körper Erdpotential haben muss und zwar muss er etwa das Potential der Stromversorgung haben. Diese Bedingung ist manchmal nicht erfüllt.
Der Annäherungsschalter bekannter Art ist so ausgeführt, dass die Annäherungselektrode in eine Kunststofffliese eingebaut ist, die zwischen anderen Fliesen an der Wand befestigt ist.
Elektrostatische Aufladungen, die sich beim Putzen dieser Fliesen ergeben, können völlig undefiniert ein Einschalten, Ausschalten und Wiedereinschalten des Annäherungsschalters verursachen, wodurch völlig nutzlos Wasser verbraucht wird, wenn der Annäherungsschalter z. B. in einem Krankenhaus zum berührungslosen Ein- und Ausschalten von Wasser Absperrmagnetventilen benutzt wird. Auch wenn Wassertropfen an den Fliesen herunterlaufen, schaltet dieser Annäherungsschalter. Ausserdem kann man den bekannten Schalter durch ein zweites Annähern nicht mehr ausschalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Annäherungsschalter zu schaffen, der von solchen Nachteilen frei ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Annäherungselektrode des Annäherungsschalters über eine gesteuerte Wechselspannungsquelle an einen Auswertungsschaltkreis angeschlossen ist, und dass die Annäherungselektrode von der Speisequelle des Annäherungsschalters galvanisch getrennt ist.
Diese Art Annäherungsschalter sollte nicht mit solchen Warnanlagen verwechselt werden, durch die in einem Raum ein hochfrequentes Wechselfeld erzeugt wird. Hierbei stört die in einen solchen Raum eintretende Person die Feldverhältnisse enorm. Ausserdem benötigt man bei solchen Anlagen hochfrequente Schaltungen und ganz spezielle und teure Antennen. Zum Schalten von Magnetventilen für Wasserleitungen z. B. in Krankenhäusern wären solche Anlagen untauglich und auch viel zu teuer.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein genaueres Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels.
In eine gestrichelt dargestellte Kunststofffliese 11 ist eine Annäherungselektrode 12 eingegossen, die über den Mittelleiter 13 eines Koaxialkabels 14 mit der einen Elektrode einer Glimmröhre 16 verbunden ist.
Hinter der Elektrode 12 und in der Kunststofffliese 11 liegt eine Abschirmung 17, durch die der Mittelleiter 13 hindurchgeführt wird. Über eine Leitung 18 ist die Abschirmung 17 an das Abschirmgeflecht 19 des Koaxialkabels 14 angeschlossen. Auf der anderen Seite ist das Abschirmgeflecht über eine Leitung 21 mit einem Bezugspunkt 22 und der anderen Elektrode der Glimmröhre 16 verbunden. Über einen Arbeitswiderstand 23 ist die Glimmröhre 16 mit einer Stromversorgungsklemme 24 verbunden. Die Glimmröhre 16 bildet zusammen mit dem Arbeitswiderstand 23 und der Kapazität des Koaxialkabels 14 eine durch die Annäherungselektrode 12 gesteuerte Wechselspannungsquelle 31. Auf die Glimmröhre 16 folgt ein Verstärker-lmpedanzwandler 28, dessen Eingang wegen des hochohmigen Ausgangs der gesteuerten Wechselspannungsquelle 31 ebenfalls hochohmig ist und dessen Ausgang niederohmig ist.
Der Auswertungsschaltkreis nach Fig. list derart ausgebildet, dass auf den Verstärker-lmpedanzwandler 28 ein Amplitudendiskriminator 32 und ein Frequenzdiskriminator 33 folgt. Der Rest des Auswertungsschaltkreises wird zugleich mit seiner Funktionsbeschreibung erläutert.
Nähert man der Annäherungselektrode 12 z. B. eine Hand, so ändert sich die Grösse des parallel zur Glimmröhre 16 geschalteten Kondensators, was sich darin äussert, dass sich sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Impulse 27 ändern. Die Amplitudenänderung wird im Ampli tudendiskriminator 32 festgestellt und der Betrag der Änderung wird dann in einem Vergleicher 34 mit einem Sollwert verglichen. Weicht der Istwert von dem Sollwert ab, so erzeugt der Vergleicher 34 ein Ausgangssignal.
Ebenfalls erzeugt ein zweiter Vergleicher 36 ein Ausgangssignal, wenn das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators 33 von einem Sollwert abweicht.
Nur wenn sowohl eine Verstimmung der Frequenz als auch der Amplitude stattfindet, gibt ein UND-Tor 37 ein Ausgangssignal ab, das eine bistabile Kippstufe 38 in einen solchen Zustand versetzt, dass ihr Ausgangssignal einen Thyristor 39 leitend macht. Dann kann von einer Klemme 41 aus über einen Lastwiderstand 42 und den leitenden Thyristor 39 ein Strom zum Bezugspunkt 43 fliessen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Lastwiderstand 42 die Spule eines Magnetventils in einer Wasserleitung zu einem Wasserhahn eines Waschbeckens. Es kann nun Wasser aus dem Wasserhahn fliessen.
Hat die Person ihre Hände gewaschen, so nähert sie ihre Hand wiederum der Annäherungselektrode 12 und es erscheint nochmals ein Ausgangssignal am Ausgang des UND Tores 37, wodurch die bistabile Kippstufe 38 in ihren anderen Zustand kippt, der Thyristor 39 gesperrt wird und durch den Lastwiderstand 42 kein Strom mehr fliesst. Dies bedeutet, dass auch kein Wasser mehr aus dem Hahn fliesst
Vergisst die Person, nach dem Waschen ihre Hand der Annäherungselektrode 12 zu nähern, so sorgt ein Zeitglied 44 dafür, dass die bistabile Kippstufe 38 wieder zurückgekippt wird. Der den Thyristor 39 einschaltende Impuls wurde nämlich vorher auch dem Zeitglied 44 zugeführt. Das Zeitglied 44 gibt nun nach einer bestimmten Zeitdauer an seinem Ausgang einen Impuls an ein ODER-Tor 46 ab, über deren Ausgang die bistabile Kippstufe 38 zurückgestellt wird.
Bei diesem und dem folgenden Ausführungsbeispiel dient die Abschirmung 17 nicht, wie man annehmen könnte, der Steigerung der Empfindlichkeit. Vielmehr dient sie dazu, eine Betätigung von rechts, d. h. von hinter der Kunststofffliese 11, zu verhindern. Es würde sonst eventuell Wasser eingeschaltet, wenn eine Person auf der anderen Seite der Wand, in die die Keramikfliese eingebaut ist, vorübergeht.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird auf das UND Tor 37, den Diskriminator 33 und den Vergleicher 36 im Auswertungsschaltkreis verzichtet. Es gelingt nämlich, auch mit einem einzigen Kriterium, nämlich der Amplitudenänderung den Thyristor 39 zuverlässig zu schalten. Man erkennt in Fig. 2 wiederum die Annäherungselektrode 12, das Koaxialkabel 14 und die gesteuerte Spannungsquelle 31. Der Auswertungsschaltkreis enthält ferner die Kettenschaltung bestehend aus einer Gleichrichterschaltung 47, einer Impedanzwandlerschaltung 48, einem Wechselstromverstärker 49, einer monostabilen Kippstufe 51, der bistabilen Kippstufe 38, einer Schaltstufe 52 und dem Lastwiderstand 42. Diese Baugruppen werden mit Hilfe einer gut stabilisierten Stromversorgung 53 über die gezeichneten Leitungen mit Strom versorgt.
Das Zeitglied 44 liegt parallel zur monostabilen Kippstufe 51 und zur bistabilen Kippstufe 38.
Die soeben beschriebene Schaltung ist der besseren Übersicht halber in Fig. 3 genauer dargestellt. An einer Klemme 54 ist das Abschirmgeflecht 19 angeschlossen, wäh- rend der Mittelleiter 13 an einer Klemme 56 angeschlossen ist Der Emitter eines Unijunction-Transistors Ts9 erhält seine Vorspannung über einen Widerstand R1. Mit Hilfe eines veränderbaren Widerstands RW 1 kann die Vorspannung der Basis 2 des Unijunction-Transistors Ts9 eingestellt werden. Ein Widerstand R2 dient als Schutzwiderstand für den Fall, dass der Widerstand RW1 versehentlich den Wert 0 erhalten hat.
Mit der Basis 2 ist ein spannungsverdoppelnder Spitzengleichrichter 47 verbunden, der die Kondensatoren C1 und C2 sowie die Dioden D9 und D10 umfasst.
An diesen Spitzengleichrichter 47 schliesst sich ein Impedanzwandler 48 an, der aus einem Transistor Ts2 und einem Emitterwiderstand R3 besteht. Diese Kollektorstufe ist über einen Kondensator C3 mit einem zweistufigen Wechselspannungsverstärker 49 verbunden. Der Kondensator C3 hat beim Ausführungsbeispiel, ebenso wie der Kondensator C4 15 ,uF. Die Kondensatoren C3 und C4 haben daher einen sehr niedrigen Wechselstromwiderstand. Für einen Transistor Ts3 dienen Widerstände R 4 und R 5 als Basisspannungsteiler. Ein Widerstand R7 dienst als Gegenkopplungswiderstand, während ein Widerstand R6 der Arbeitswiderstand für den Transistor Ts3 ist. Wie aus dem Schaltbild ersichtlich, ist der Ausgang des Transistors Ts3 galvanisch mit dem Eingang eines Transistors Ts4 gekoppelt.
Widerstände R9 und R28 sowie ein Kondensator C14 stellen eine kombinierte Wechselspannungs- und Gleichspannungsgegenkopplung dar, während ein Widerstand R8 als Arbeitswiderstand für den Transistor Ts4 dient. Ein Kondensator C5 dient als Gegenkopplung für den Transistor Ts4 und unterdrückt Störspitzen, die z. B. vom Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte stammen können. Der Kondensator C5 ist in der zweiten Stufe wirksamer als wenn man ihn in der ersten Stufe verwenden würde. Über den Kondensator C4 und den Widerstand R10 ist monostabile Kippstufe 51 an den Wechselspannungsverstärker 49 angeschlossen. Seine Zeitkonstante wird hauptsächlich durch einen Kondensator C6 und einen Widerstand R15 bestimmt.
Die monostabile Kippstufe 51 umfasst Transistoren Ts5, Ts6, einen Koppelungskondensator C7, einen Arbeitswiderstand R13 für den Transistor Ts5, den Basisspannungszuführungswiderstand R15, den Gegenkopplungskondensator C6 und einen Arbeitswiderstand R16. Die monostabile Kippstufe 51 kippt dann um, wenn das Eingangssignal an der Basis des Transistors Ts5 einen bestimmten Betrag überscheitet. Daraufhin gibt die monostabile Kippstufe 51 einen Impuls definierter Dauer am Kollektor des Transistors Ts6 ab. Ein Widerstand R 14 dienst der Rückkopplung über beide Stufen hinweg.
Die nunmehr folgende bistabile Kippstufe 38 umfasst zwei Transistoren Ts7 und Ts8, Widerstände R17, R18, R19 und R20, Kondensatoren C8, C9 und Dioden D3 und D4.
Wie man am Aufbau der an sich bekannten bistabilen Kippstufe 38 erkennt, ist sie mit Vorspeichern in Gestalt der Kondensatoren C8, C9 und der Widerstände R19 und R20 ausgestattet, so dass sowohl zum Steuern in dem EIN-Zustand als in dem AUS-Zustand nur eine einzige Leitung 61 notwendig ist. Jeder zweite Impuls auf der Leitung 61 hat damit die gleiche Wirkung auf die bistabile Kippstufe 38. Als Arbeitswiderstand für den Transistor Ts7 dient ein Widerstand R22 und als Arbeitswiderstand für den Transistor Ts8 dienen Widerstände R21 und R24. Von deren Mittenabgriff aus wird ein Thyristor 1 an seiner Steuerelektrode angesteuert. Die angegebene Schaltung hat den Vorteil, dass der Thyristor 1 dauernd von der bistabilen Kippstufe 38 Strom erhält, wenn sich diese im EIN-Zustand befindet.
Es braucht der Thyristor Thyl dann nicht dauernd nach jeder Halbwelle gezündet zu werden, wie dies sonst üblich ist. Der Thyristor Thyl gehört zusammen mit einem Schutzkondensator C14 und zwei Dioden Dl und D2 zur Schaltstufe 52. Die Diode Dl sorgt dafür, dass der Strom im Sekundärkreis der Spule des Transformators T immer in der gleichen Richtung fliesst, während die Diode D2 parallel zum Lastwiderstand 42 dazu dient, das Klappern ähnlich einer Selbsthalteschaltung in solchen Fällen zu verhindern, in denen der Lastwiderstand 42 durch Erregerspulen dargestellt ist.
Zur Stromversorgung wird an Klemmen 62 und 63 der Transformator T angeschlossen. Wie man hier sieht, herrscht eine vollständige galvanische Trennung zwischen den beiden Spulen dieses Transformators. Parallel zur Sekundärspule des Transformators liegt ein Übertrager ü1, dessen Sekundärspule mit einer Graetz-Schaltung verbunden ist, die die Dioden D5-D8 umfasst. Ein Glättungskondensator C12 sorgt für die Spannungsglättung und ein Transistor Tsl sorgt zusammen mit Zener-Dioden ZD1 und ZD2 für die Stabilisierung der Gleichspannung. Den Basisstrom führt ein Widerstand R27 zu. Ein weiterer Glättungskondensator C13 glättet die am Ausgang der Stromversorgung 53 anstehende Spannung nochmals.
Es ist hier eine sehr stabile Stromversorgung notwendig, damit nicht von der Stromversorgung kommend Spannungsschwankungen fälschlicherweise von dem Annäherungsschalter als Signale gedeutet werden, die das Annähern eines Gegenstands an die Annäherungselektrode 12 anzeigen sollen.
Vom Ausgang der bistabilen Kippstufe 38 wird über einer Widerstand R26 das Zeitglied 44 angesteuert, welches einen Unijunction-Transistor Ts10 samt seinen Vorspannwiderständen R23 und R15 umfasst. Ein Kondensator C11 ergibt zusammen mit dem Widerstand R26 die Zeitkonstante, nach der der Unijunction-Transistor TslO an der Basis 1 über einen Kondensator C10 und einen Widerstand R12 an den Eingang der monostabilen Kippstufe 51 ein Signal abgibt.
Es ist nicht nur ein Vorzug der soeben beschriebenen Schaltung, dass sie auch auf fliegendem Potential arbeiten kann. Vielmehr hat sie auch noch folgenden Vorteil, der an Hand eines Beispiels beschrieben werden soll:
Stellt man einen Gegenstand wie z. B. einen Eimer mit Wasser in die Nähe des Annäherungsschalters 12, so schaltet der Annäherungsschalter zunächst einmal, weil ja eine Amplitudenänderung im Generator 31 auftritt. Diese Amplitudenänderung teilt sich über den Kondensator C3 dem Wechselspannungsverstärker 49 mit und der Annäherungsschalter schaltet einmal. Bleibt nun der Eimer stehen, so bleibt auch die Verstimmung konstant und da keine Ände- rung mehr auftritt, wirkt der Kondensator C3 als Sperre.
Kommt man nun nochmals zusätzlich mit der Hand in die Nähe der Annäherungselektrode 12, so tritt eine weitere Verstimmung d.h. eine weitere Änderung der Spannungsamplitude auf, die nunmehr der Kondensator C3 überträgt.
Dies bedeutet, dass eine konstante Verstimmung des Generators 31 die Arbeitsweise des Annäherungsschalters nicht nachtteilig beeinflussen kann.
In der monostabilen Kippstufe 51 entkoppelt der Widerstand R10 die Rückkopplung R14 der Transistoren Ts6 und Ts5 sowie die Einspeisung vom Zeitglied 44 über R12. Es wurde herausgefunden, dass die Schaltung vollständig arbeiten kann, da sie durch geschickte Art der Verstärkung und Gegenkopplung sehr unempfindlich in bezug auf Störspannungsspitzen ist.
Grundsätzlich könnte man die vom Unijunction-Transistor TslO über den Kondensator C10 und den Widerstand R12 ausgehende Rückkopplung statt an den Eingang der monostabilen Kippstufe 51 an den Eingang der bistabilen Kippstufe 38 legen. Man brauchte hierzu jedoch entweder eine Umkehrstufe, um die richtige Phasenlage zu erhalten, oder aber man müsste die Transistoren Ts7 und Ts8 als npn Transistoren ausbilden.
Beim beschriebenen Annäherungsschalter hat die statische Aufladung der die Annäherungselektrode umgebenden Kunststofffliese überhaupt keinen Einfluss und bei Benetzen mit Flüssigkeit schaltet der Annäherungsschalter einmal, ist dann aber auch im nassen Zustand sofort wieder voll betriebsbereit, so dass ein zweites Annähern an die nasse Fliese ein Ausschalten bewirkt.