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Eingangsglied für kontaktlose Steuereinrichtungen Für moderne Steuerungen
sucht man kontaktlose und möglichst verschleißfreie Steuerungsbausteine zu erhalten,
die auch bei hoher Schalthäufigkeit eine Lebensdauer erreichen, welche nur durch
die natürliche Alterung der verwendeten Bauteile gegeben ist und nicht mehr durch
den Grad der Abnutzung. Von besonderem Interesse sind daher die Eingangsglieder
solcher Steuerungen, etwa Drucktaster, bei denen es oft schwer ist, jedes bewegliche
Teil zur Auslösung eines Steuerbefehls zu umgehen, abgesehen davon, daß bei mechanischer
Kontaktgabe Prellungen auftreten können, die bei Folgeschaltungen leicht zu Fehlsignalen
führen.
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Es sind Lösungen bekanntgeworden, die davon ausgehen, daß man das
Streufeld eines Oszillators durch eine metallische Steuerfahne beeinflußt. Ohne
einen Kontakt schließen zu müssen, erhält man eine Änderung des Ausgangssignals
allein durch die unabhängige Bewegung der Steuerfahne. Diese Steuerfahne kann in
bekannter Weise an bewegten Werkstücken angebracht und so deren Lage abgetastet
werden.
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Für die Befehlsgabe an Werkzeugmaschinen bedient man sich normalerweise
Drucktaster, deren mechanische Wegänderung einen Kontakt öffnen bzw. schließen läßt
und so ein Steuersignal erzeugt. Man kann nun den Kontakt durch einen steuerbaren
Oszillator ersetzen und läßt dann durch die Drucktaster eine Steuerfahne mehr oder
weniger in das Oszillatorfeld eintauchen, wodurch der zuvor beschriebene Steuereffekt
eintritt. Der Drucktaster mit seiner Steuerfahne stellt aber ein mechanisch zu bewegendes
Teil dar, das wiederum einer Abnutzung unterliegt. Es wird daher gefordert, auch
dieses bewegte Teil zu umgehen, um eine höhere Lebensdauer zu erreichen.
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Bei einer bekannten Anordnung, die diese Forderungen erfüllt, ist
ein Oszillator zur Speisung eines Brückenstromwandlers vorgesehen, dessen Zweige
durch Kondensatoren symmetriert werden. Durch Veränderung der Kapazität eines Zweiges,
beispielsweise durch die Annäherung einer Hand an eine Kontaktfläche, wird die Brücke
verstimmt. Die Hand stellt dabei den einen Kondensatorbelag, die Kontaktfläche den
anderen Belag dar. Bei Verstimmung entsteht in der Sekundärwicklung des Wandlers
ein Differenzstrom, der verstärkt wird und als Steuersignal dient. Dieses Verfahren
bedingt neben dem Oszillator einen Aufwand an Brückenstromwandler, Verstärker und
Gegentaktgleichrichter, wobei letzterer zur phasenrichtigen Umformung der Wechsel-Spannung
des Stromwandlers in Gleichspannung dient. Der Aufwand bei diesem Verfahren ist
groß, und es ist daher die Aufgabe gestellt, ein einfacheres Verfahren zu entwickeln.
Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von folgenden Überlegungen ausgegangen: Wenn
man in das Streufeld zwischen der Oszillatorwicklung und der Rückkopplungswicklung
eines Oszillators einen metallischen Leiter einbringt, dann nehmen die Schwingungsamplituden
des Oszillators in dem Maße ab, in dem die Feldlinien zur Rückkopplungsspule durch
den metallischen Leiter aufgefangen werden. In dem Leiter selbst entstehen durch
Induktion Wirbelströme, die neben einer Abschirmung der Rückkopplungsspule zur Folge
haben, daß dem Oszillator Leistung entzogen wird. Abschirmung und Leistungsentzug
können hierbei so groß werden, daß der Oszillator mit seinen Schwingungen ganz aussetzt.
Es ist demnach die Amplitude der Oszillatorspannung ein Maß für den Steuerungszustand,
der durch den steuernden metallischen Leiter hervorgerufen wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Eingangsglied für kontaktlose
Steuereinrichtungen, welches aus einem Oszillatorsystem mit galvanisch getrenntem
Ausgang besteht und bei welchem die Amplitude der Ausgangsgröße durch Beeinflussung
des Streufeldes zwischen Oszillator- und Rückkopplungsspule gesteuert wird. Erfindungsgemäß
ist im Streufeld zwischen Oszillator- und Rückkopplungsspule mindestens eine Spule
angeordnet, welche durch Wertänderung eines sie belastenden Widerstandes eine Steuerung
der Oszillatorausgangsgröße ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Eingangsglied für Steuereinrichtungen wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert.
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In F i g. 1 ist die Schaltung des erfindungsgemäßen Steuergliedes
dargestellt. Mit 1 ist die Oszillatorspule
bezeichnet, die beispielsweise
in P2rallclschaltung mit einem nicht näher bezeichneten Kondensator im KoI-lektorkreic
eines Transistors 3 liegt. Im Steuerkreis dieses Transistors liegt die mit 2 bezeichnete
Rückkopplungswicklung. Mit 4 ist die Auskopplungswickluna bezeichnet, welcher
beispielsweise über einen Gleichrichter die Ausgangsgröße UA entnommen wird. Der
Oszillatorkern ist auf die drei Wicklungen so aufgeteilt, daß der Luftspalt zwischen
Rückkopplungs-und Oszillatorwicklung liegt und die Auskopplungs-und Oszillatorwicklung
auf dem einen Kernteil und die Rückkopplungswicklung auf dem anderen Kernteil liegen.
In Abweichung von der soweit bekannten Schaltung ist erfindungsgemäß an Stelle der
sonst üblichen metallischen Steuerfahne zwischen Oszillator- und Rückkopplungsspule
eine mit 5 bezeichnete Spule angeordnet. In dieser Spule können, solange sie unbelastet
ist, nur sehr geringe Wirbelströme fließen, die keinerlei Steuerwirkung auf den
Oszillator ausüben. An den Wicklungsenden dieser Spule steht eine Spannung an, deren
Höhe sich aus dem übersetzungsverhältnis der Spule 5 zur Oszillatorspule 1 ergibt.
Die Frequenz dieser Spannung ist gleich der Oszillatorfrequenz. Wird die Spule 5
über den mit 6 bezeichneten ohmschen Widerstand kurzgeschlossen, so kommt dadurch
in diesem Stromkreis ein Strom zum Fließen, der bezüglich seiner Wirkung den Wirbelströmen
der sonst verwendeten metallischen Steuerfahne entspricht. Dem Oszillator wird dadurch
Leistung entzogen, und das Rückkopplungsfeld wird durch das Gegenfeld der Spule
geschwächt. Die Amplitude UA der Oszillatorausgangsspannung verändert sich hierbei
in Abhängigkeit vom Wert des Widerstandes 6 nach einer Funktion, die aus dem Diagramm
der F i g. 2 ersichtlich ist. Man kann ersehen, daß bei größeren Werten des Widerstandes
6 die Oszillatorausgangsspannung UA nahezu konstant bleibt und daß sie dann sehr
schnell auf den Wert 0 abfällt, sobald ein kritischer Wert des Widerstandes unterschritten
wird. Der Belastungswiderstand für die Spule 5 muß nicht, wie aus der Schaltung
nach F i g. 1 zu ersehen, ohmscher Art sein; er kann ebensogut komplex oder rein
induktiv oder kapazitiv sein. Man kann beispielsweise als Belastung einen Drehkondensator
verwenden und bekommt dann denselben Steuereffekt, sobald die Kapazität dieses Drehkondensators
so groß wird, daß ein hinreichend wirksamer Kurzschluß der Steuerwicklung 5 erreicht
wird. Der veränderliche Kondensator kann insbesondere auch durch die menschliche
Hand einerseits und einen metallischen Belag andererseits gebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Steuerglied hat nicht nur den Vorteil, daß es
keine mechanischen Teile besitzt, die einer Abnutzung unterworfen sind, sondern
es weist darüber hinaus auch noch eine Reihe von weiteren Vorteilen auf. Einer dieser
Vorteile besteht beispielsweise darin, daß man durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses
zwischen Oszillatorspule 1 und Steuerspule 5 praktisch jede beliebige Anpassung
an die Steuerverhältnisse wie hochohmiger Eingang bzw. niederohmiger Eingang erreichen
kann. Des weiteren kann man durch Abstimmung der Steuerspuleninduktivität und der
Steuerkapazität ein Optimum an Steuerempfindlichkeit erreichen, da im Resonanzfall
ein satter Kurzschluß im Steuerkreis entsteht, die Flanken des Resonanzkreises aber
eine schnelle Impedanzänderung bei kleiner Kapazitätsänderung zeigen. Es besteht
darüber hinaus die Möglichkeit, den Resonanzkreis mit einer zusätzlichen sättigbaren
Induktivität zu erweitern und durch Änderung dieser Induktivität ebenfalls eine
Resonanzabstimmung zu erreichen. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß der
Steuerkreis galvanisch von allen anderen Kreisen getrennt ist. Ein Steuerbefehl
kann also galvanisch getrennt eingegeben werden; wobei die Änderung der Oszillatoramplitude
stetig durchgeführt werden kann, also auf diese Weise ein stetig durchsteuerbarer
Isolationsverstärker entsteht. Da bei entsprechender Ausbildung der Spulen anordnung
sehr große Kriechwege eingehalten werden können, ist die galvanische Trennung sehr
hoher Spannungen in einfacher Weise möglich.
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Da die Steuerspule selbst imstande ist, dem Oszillator Leistung zu
entziehen, besteht die Möglichkeit, durch die Steuerspule einen Verstärker zu speisen:
Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt F i g. 3 der Zeichnung. Es ist in dieser Figur
vom Oszillator lediglich die Steuerspule 5 dargestellt, die den Kollektorkreis eines
Transistorverstärkers speist. Eine größere Leistung kann man dem Oszillator dann
entziehen, wenn man der Spule 5 einen Kern aus magnetisch leitendem Material zuordnet,
das die gleichen Eigenschaften wie das Material des Oszillatorkernes hat. Man kann
also in diesem Fall einen einzigen Kern für sämtliche Spulen des Oszillatorsteuergliedes
verwenden. Auf diese Weise erhöht sich die Rückkopplung sehr wesentlich, da die
Luftspaltleistung umgangen wird. Als Folge davon setzt der Oszillator erst bei wesentlich
höheren Belastungen seine Schwingungsamplitude herab. Im Diagramm der F i g. 2 erhält
man dann eine Kurve, die durch den gestrichelten Linienzug dargestellt ist. Als
Steuergrößen für eine Anordnung nach F i g. 3 sind sowohl Wechsel-Spannungen als
auch Gleichspannungen geeignet.
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In vielen Fällen wird es erwünscht sein; den Oszillator in Abhängigkeit
von mehreren Steuergrößen zu steuern, die auf verschiedenem Potential liegen. Hierzu
ist es ohne weiteres möglich, mehrere Steuerspulen im Streufeld des Oszillators
unterzubringen.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Steuerspule nicht nur
in Verbindung mit der in F i g. 1 dargestellten und in der Literatur mit Schlitzinitiator
bezeichneten Oszillatoranordnung zu verwenden, sondern auch in Verbindung mit einer
in der Literatur als Näherungsinitiator bekannten Oszillatoranordnung. Bei einer
derartigen Anordnung sind Oszillator-, Rückkopplungs- und Auskopplungswicklung in
der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise auf einem einzigen Kern räumlich hintereinander
angeordnet. Das Streufeld tritt hierbei an der Oszillatorwicklung 1 weit in den
Raum hinaus, wobei es in bisher bekannter Weise durch Einbringung eines metallischen
Leiters beeinflußt wurde, um eine Steuerwirkung am Oszillatorausgang zu bewirken.
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In F i g. 5 und den nachfolgenden Figuren der Zeichnung sind verschiedene
Lösungsmöglichkeiten für die Signaleingabe in Steuerungen gemäß der Erfindung angegeben.
Mit 5' und 5" sind in diesen Figuren die beiden Anschlußklemmen für eine Steuerspule
gemäß der Erfindung bezeichnet. Die Steuerkapazität kann beispielsweise aus zwei
voneinander und gegen Masse isolierten Kontaktflächen gemäß F i g. 5 bestehen, die
an die Steuerspule angeschlossen werden. Durch Auflegen einer Hand auf diese Kontaktflächen
wird der Kapazitätswert dieser Einrichtung
so weit verändert, daß
ein Steuereffekt am Oszillatorausgang auftritt. Selbstverständlich kann der Anschluß
dieser Steuerkapazität auch in der Weise erfolgen, daß ein Belag an die Steuerspule
und der andere an Masse bzw. Erde angeschlossen wird. Das freie Anschlußende der
Steuerspule ist dann ebenfalls an Erde anzuschließen.
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Bei Pressensteuerungen ist beispielsweise vorgeschrieben, daß der
Mechanismus der Presse nur dann in Bewegung gesetzt werden kann, wenn beide Hände
des an der Presse Arbeitenden außerhalb der Gefahrenzone mit Abstand voneinander
angebrachte mechanische Schalter, die durch beide Hände des Arbeitenden gleichzeitig
betätigt werden müssen, um die Presse in Bewegung zu setzen. Auch für derartige
Zwecke ist die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ohne weiteres anwendbar, indem
man je einen der beiden mechanischen Kontakte durch je eine gegen Masse isolierte
Kontaktfläche ersetzt und diese Kontaktflächen an die beiden Wicklungsenden der
Steuerspule anschließt. Durch Berührung der beiden Kontaktflächen mit den Händen
wird dann der Steuerkreis geschlossen, so daß das für die Betätigung erforderliche
Ausgangssignal am Steueroszillator auftritt. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht hierbei darin, daß man durch entsprechende Anpassung der Steuerspule
mit ungefährlichen Steuerspannungen arbeiten und dabei direkte Berührung zulassen
kann.
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Es läßt sich durch entsprechende Schaltung von mehreren Steuerkapazitäten
aber nicht nur die obenerwähnte UND-Verknüpfung erfüllen, sondern auch eine ODER-Verknüpfung.
Ein Schaltungsbeispiel hierfür zeigt F i g. 6. Hierbei sind mehrere Kontaktflächen
6 gemeinsam an ein Wicklungsende 5" der Steuerspule angeschlossen, während das andere
Wicklungsende 5' mit Masse bzw. Erde verbunden ist. Durch Berühren irgendeiner dieser
Kontaktflächen wird die Steuerspule so weit kurzgeschlossen, daß der Steueroszillator
angesteuert wird. Eine UND-Verknüpfung erhält man beispielsweise dann, wenn man
die Schaltung gemäß F i g. 6 in die Schaltung nach F i g. 7 umwandelt, indem man
die Kontaktflächen 6 über Widerstände 7 gemeinsam an das eine Anschlußende 5" der
Steuerspule anschließt.
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Die Justierung der Steuereinrichtung auf einen vorgegebenen Arbeitspunkt
des Oszillators kann man in der Weise vornehmen, daß man in solchen Fällen, bei
denen der Steuerkreis durch einen äußeren Widerstand, wie beispielsweise den Widerstand
des menschliehen Körpers, kurzgeschlossen wird, der Steuerspule einen veränderbaren
Widerstand parallel schaltet. In solchen Fällen, in denen die Ansteuerung des Oszillators
durch eine Steuerkapazität erfolgt, kann die Justierung durch einen der Steuerspule
parallel geschalteten Drehkondensator oder Trimmer erfolgen. Darüber hinaus kann
man aber auch eine Justierung ausschließlich oder zusätzlich durch einen metallischen
Leiter bewirken, den man zusätzlich zur Steuerspule im Streufeld zwischen Oszillator-
und Rückkopplungsspule anordnet.