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Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Induktive Näherungsschalter sind seit langem bekannt und werden auch von der Anmelderin in großer Stückzahl hergestellt und vertrieben.
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Sie bestehen üblicherweise aus einem Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator, der von einer Oszillatorschaltung angeregt wird, und einer Auswerteeinheit. Bei Annäherung eines metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Gegenstandes (Schaltfahne) ändert sich der Bedämpfungszustand des Oszillators. Die Amplitude und/oder die Frequenz des Oszillators werden von der Auswerteeinheit erfasst, und bei Erreichen einer bestimmten Signalhöhe, die i. A. einem bestimmten Abstand der Schaltfahne entspricht, ein meist binäres Schaltsignal ausgegeben.
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Als besonders vorteilhaft hat sich der Stromspiegeloszillator erwiesen, u. a. auch deshalb, weil er mit einem nicht mit zur Oszillatorkreis gehörigen Abgleichwiderstand einstellbar ist.
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Aus der
DE 43 31 555 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem Abgleichwiderstand bekannt. Hier wird auch angeregt, an Stelle eines Flächenwiderstandes ein elektronisches Potentiometer zu verwenden, das in bekannter Weise von einem Mikrocontroller gesteuert werden kann.
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Für diese Geräte sind spezielle integrierte Schaltungen (ASICs) entwickelt worden. Um eine hohe Stückzahl zu erreichen, sollten diese integrierten Schaltungen in unterschiedlichen Gerätetypen mit den unterschiedlichsten Sensorspulen einsetzbar sein. Das erfordert wiederum einen möglichst großen Einstellbereich mit hoher Auflösung für den Abgleich der Sensoren, wobei auch noch die Toleranzen der Schalenkerne zu berücksichtigen sind.
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Wie sich gezeigt hat, reichen die herkömmlichen digitalen Potentiometer mit 8 Bit hierfür nicht aus. Weiterhin hat sich gezeigt, dass der Kennlinienverlauf entscheidend verbessert werden kann, wenn an Stelle der üblichen, nach Zweierpotenzen gestaffelten Widerstände, gleichartige Teilwiderstände eingesetzt werden.
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Die Anzahl der verwendeten Einzelwiderstände und Schalttransistoren ist bei den bekannten digitalen Potentiometern direkt proportional zur Anzahl der realisierten Widerstandsschritte. Ein Potentiometer mit 4 Schritten (2 Bit), weist 4 Widerstände nebst 4 Schalttransistoren und mindestens 4 Vorwiderstände auf. Somit sind für ein digitales Potentiometer mit 8 Bit Auflösung an Stelle von 8 gestuften Widerständen 255 gleichartige Widerstände nebst Steuerelementen erforderlich.
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Neben dem Bedarf an Bauteilen nimmt natürlich auch der Einfluss parasitärer Effekte, hauptsächlich der Kapazität, zu. Die Zunahme der Kapazität wirkt sich wiederum auf die Zeitkonstante und damit auch auf die Grenzfrequenz der Anordnung aus. Da sich die parasitären Kapazitäten kaum beeinflussen lassen muss das Potentiometer niederohmig ausgeführt werden. Dem sind aber durch den Stromspiegeloszillator Grenzen gesetzt, weil der Wert des Abgleichwiderstands durch die Impedanz der Sendespule vorgegeben ist und deren Stromaufnahme bei niederohmiger Ausführung unzumutbar ansteigen würde.
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Elektronische Potentiometer werden von Intersil unter der Marke XDCP angeboten. Die darin verwendeten RC-Netzwerke sind unter anderem auch in Kapitel 12 des Standardwerks „Halbleiter-Schaltungstechnik“ von Tietze und Schenk, Springer-Verlag, 10. Auflage, ISBN 978-3-662-07640-8 beschrieben.
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Die
EP 2 033 310 B1 zeigt einen temperaturstabilisierten induktiven Näherungsschalter mit einem an den Schwingkreis angekoppelten R2R-Widerstandsnetzwerk, das Bestandteil eines multiplikativen D/A-Wandlers ist (siehe
7).
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Die
US 8 432 169 B2 zeigt induktive Näherungsschalter mit einer Sensorspule, die mit einem Kondensator einen von einem Stromspiegeloszillator angeregten Schwingkreis bildet. Eine Auswerteeinheit dient zur Steuerung der Oszillatorschaltung und zur Erzeugung des binären Schaltsignals. Die Oszillatoramplitude wird mit einer Regelschleife konstant gehalten, die ein steuerbares Widerstandsnetzwerk, einen Summierwiderstand, eine spannungsgesteuerte Transistor-Stromquelle und einen Spannungs-Stromwandler aufweist. Die vier Baugruppen sind Bestandteil einer Dreipolschaltung, die mit dem Schwingkreis, dem Masseanschluss und dem Steuerzweig des Stromspiegeloszillators verbunden ist. Diese Regelschleife wird als nachteilig angesehen, weil sowohl deren elektronische Zeitkonstante, aber vor allem die Analog-Digital-Wandlung und anschließend die Digital-Analog-Wandlung zu Buche schlagen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Stand der Technik zu verbessern. Dabei soll eine Anordnung mit möglichst wenig Bauteilen, konstanter Schaltkapazität und gleichbleibendem parasitären Widerstand und konstanter Schaltkapazität mit angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, das Widerstandsnetzwerk zunächst niederohmig auszuführen und mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Schaltung auf den für den Stromspiegeloszillator erforderlichen Wert zu transformieren. Dabei werden der Stromspiegeloszillator und das Widerstandsnetzwerk außerdem elektronisch entkoppelt.
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Zu diesem Zweck wird der durch das Widerstandsnetzwerk fließende Strom mit einem Sammelwiderstand erfasst und über eine spannungsgesteuerte Transistor-Stromquelle mit einem Spannungs-Stromwandler verbunden und so auf die Eingangsklemme zurückgeführt.
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Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht darin, statt des Potentiometers einen einstellbaren Spannungsteiler zu verwenden. Das geschieht vorteilhaft mit einem ein invers betriebenen R2R-Netzwerk mit konstantem, Innenwiderstand.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden digitalen Potentiometer gemeinsam mit der Oszillatorschaltung und der Auswerteschaltung in einem ASIC untergebracht.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit R2R-Widerstandsnetzwerk.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Widerstandsnetzwerk mit zwei Rheostaten MCP4017.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit einer Sensorspule 1, einem Schwingkreiskondensator 2, einer Oszillatorschaltung 3 und einer Auswerteeinheit 4.
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Der Abgleich des Stromspiegeloszillators 3 erfolgt hier mit einem R2R-Widerstandsnetzwerk. Das Widerstandsnetzwerk 5 wird invers betrieben und besitzt deshalb einen konstanten Innenwiderstand Ri = R. Für 4 Bit werden acht Widerstände und vier Schalttransistoren benötigt.
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Das Widerstandsnetzwerk 5 wird von der Auswerteinheit 4 gesteuert. Vier Bit reichen hier natürlich nicht aus. Deshalb wurden die Schalttransistoren mit Tn+i bezeichnet.
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Die Erfindung ist nicht auf R2R-Widestandsnetzwerke beschränkt. Prinzipiell sind alle veränderlichen zweipoligen Widerstandsnetzwerke (Rheostaten) geeignet.
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Sie können Bestandteil einer integrierten Schaltung 9 (ASIC) sein, welche vorteilhaft auch die Oszillatorschaltung 3 und die Auswerteeinheit 4 enthalten kann.
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Selbstverständlich können einzelne oder mehrere Bausteine aus der integrierten Schaltung herausgelöst und diskret aufgebaut sein, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
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Das Zusammenwirken des Widerstandsnetzwerks 5 mit dem Summierwiderstand 6, der spannungsgesteuerten Transistor-Stromquelle 7 und dem Spannungs-Strom-Wandler 8 wird nachfolgend näher beschrieben.
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Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Widerstandsnetzwerk mit Rheostaten des Typs MCP4017 der Microchip Technology Inc. mit der zugehörigen elektronischen Schaltung.
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Der Stromspiegeloszillator 3 wird an die auch in der 1 mit RA bezeichneten Klemme angeschlossen. Der Operationsverstärker O1 dient als Impedanzwandler (10) zur Entkopplung des Widerstandsnetzwerks (5) vom Stromspiegeloszillator (3). Er kann bei einem ausreichend hochohmigen Widerstandsnetzwerk 5 mit R > 100 kΩ entfallen.
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Der durch das Widerstandsnetzwerk 5 fließende Strom wird am Widerstand 6 gesammelt, und erzeugt eine Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O2, der den Transistor T1 soweit öffnet, bis am Strom-Spannungs-Wandler 8 und damit auch am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O2 die gleiche Spannung ansteht. Somit ist der Summierwiderstand 6 über die spannungsgesteuerte Transistor-Stromquelle 7 mit dem Spannungs-Stromwandler 8 verbunden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Einstellbereich zwischen 2,05 kΩ und 4,41 kΩ.
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Durch die Serien- oder Parallelschaltung des obigen Netzwerks mit weiteren digitalen Potentiometern oder herkömmlichen Widerständen lässt sich der Arbeitspunkt verschieben und / oder die Genauigkeit erhöhen. Die beiden Rheostaten können natürlich auch unterschiedlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorspule
- 2
- Schwingkreiskondensator
- 3
- Oszillatorschaltung
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Widerstandsnetzwerk
- 6
- Summierwiderstand (Sammelwiderstand)
- 7
- Spannungsgesteuerte Transistor-Stromquelle
- 8
- Spannungs-Strom-Wandler (Emitterwiderstand)
- 9
- Integrierte elektronischen Schaltung (ASIC)
- 10
- Impedanzwandler
- O1
- Erster Operationsverstärker (Impedanzwandler)
- O2
- Zweiter Operationsverstärker (Vergleicher)
- T1
- Treibertransistor
