DE1762448A1 - Kapazitiver Annaeherungsschalter - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen - Auf dem Goldberg- Weimarer Straße 32 u. 34 - Telefon 07031/86501

11. Juni 1968 10 402

Wilhelm Riechmann, 715 Backnang, Ahornweg 31

KAPAZITIVER ANNÄHERUNGSSCHALTER *

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungsschalter mit einer Annäherungseiektrode, die mit einem mindestens zeitweise einen negativen differnziellen Widerstand aufweisenden Bauelement verbunden ist.

Ein bekannter Annäherungsschalter besitzt eine Annaherungseiekfrrocla, die von einem Schirm umgeben ist. Die Annäherungseiektrode ist über einen Kondensator mit einer Zündelektrode einer Kaltkathodenröhre der Type ZC 1010 verbunden Be; Annäherung eines f eine Kapazität gegenüber dem Erdpotentiai bildenden Körpers, beispielweise einer Person an die Annäherungseiektrode auf einen bestimmten Abstano fließt über du Zündelektrode der Kaltkathodenröhre ein geringer Wechselstrom, der ausreicht, die K .! k.,:hodenröhre durchzuzünden. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der Körner urdp^venia! 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 Annäherungseiektrode in eine Kunststofffliese eingebaut ist, die zwischen anderen Fliesen an der Wand befestigt ist. Elektrostatische Aufladung, die sich beim Putzen dieser

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Fliesen ergeben, können völlig Undefiniert ein Einschalten,

Ausschalten und Wiedereinschalten des Annäherungsschalters verursachen, wodurch völlig nutzlos Wasser verbraucht wird, wenn der Annäherungsschalter ζ. B. in einem Krankenhaus zum berührungslosen Ein- und Ausschalten von Wasser-Absperr,magnetventilen 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 (Patentanmeldung R 43 655 Vllla/21a , 36/18).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Annäherungsschalter zu schaffen, der von solchen Nachteilen frei ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Annäherungselektrode als

Antenne ausgebildet ist. Man kommt dann von der Bedingung der Potentialfreiheit weg und kann mit dem Annäherungsschalter schalten, unabhängig davon, ob die schaltende Person j Erdpotential hat oder nicht. Diese Art Annäherungsschalter sollte nicht mit solchen Warnk . anlagen 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 sehr 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. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausfuhrungsbeispiels,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausfuhrungsb«ispiels Fig. 3 ein genaueres Schaltbild des zweiten Ausfuhrungsbeispiels. '

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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, die vom Mittelleiter 13 durchgeführt 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 hat einen negativen different ie Ilen Widerstand und bildet zusammen mit dem Arbeitswiderstand 23 und der Kapazität des Koaxialkabels Meinen Kippspannungsgenerator, der Kippspannungen 27 erzeugt. Auf die Glimmröhre 16 folgt ein Verstärker und Impedanzwandler 28, dessen Eingang wegen der Hochohmigkeit des Oszillators 31 ebenfalls Hochohmig ist und dessen Ausgang niederohmig ist.

Auf den Verstärker und Impedanzwandler 28 folgt ein Amplitudendiskriminafor 32 und ein Frequenzdiskriminator 33. Der Rest der Schaltung wird zugleich mit der Funktionsbeschreibung erläutert.

Nähert man der Annäherungselektrode 12 z.B. eine Hand, so wird der Oszillator 31 verstimmt, was sich darin äußert, daß die Kippspannungen 27 sich sowohl der Amplitude als auch der Frequenz nach ändern. Die Amplitudenänderung wird im Amplitudendiskriminator 32 festgestellt und der Betrag der Änderung in einem Vergleicher 34 mit einem Sollwert

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verglichen. Weicht der Istwert von dem Sollwert ab, so erzeugt der Vergleicher 34 ein Ausgangssignal.

Ebenfalls erzeugt ein Vergleicher 36 ein Ausgangssignal, wenn das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators 33 von seinem Sollwert abweicht.

Nur wenn sowohl eine Verstimmung*der Frequenz als auch der Amplitude nach stattfindet, ^ gibt eine UND-Schaltung 37 ein Ausgangssignal ab, das eine bistabile Kippstufe in einen

solchen Zustand versetzt, daß ihr Ausgangssignal Thyristor 39 leitend macht. Damit kann von einer Klemme 41 aus über einen Lastwiderstand 42 ein Strom zum Bezugspunkt 43 fließen. Im Ausfuhrungsbeispiel ist der Lastwiderstand 42 die Spule eines Magnetventils in einer Wasserleitung zu einem Wasserhahn eines Waschbeckens. Es kann nun Walser aus dem Wasserhahn fließen.

Hat die Person ihre Hände gewaschen, so nähert sie ihre Hand wiederum der Annäherungselektrode 12 und es wird nochmals ein Ausgangssignal am Ausgang der UND-Schaltung 37 ™ erzeugt, 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 zurück gekippt wird. Deren den Thyristor 39 einschaltender Impuls wurde nämlich auch dem Zeltglied 44 zugeführt. Das Zeitglied 44 gibt dann noch einer bestimmten Zeitdauer an seinem Ausgang

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einen Impuls an eine ODER-Schaltung 46 ab, Über deren Ausgang die bistabile Kippstufe 38 zurückgestellt wird.

Bei diesem und den folgenden Ausfuhrungsbeispielen 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, vorüber geht. λ

Beim zweiten Ausführungsbeispiel wurde auf die UND-Schaltung 37,den Diskriminator 33 und den Vergleicher 36 verzichtet. Es gelingt nämlich, auch mit einem einzigen Kriterium, nämlich der Amplitudenänderung den Thyristor 39 zuverlässig zu schalten. Man erkennt die Annäherungselektrode 12, das Koaxialkabel 14 und den Oszillator 31 sowie die Kettenschaltung einer Gleichrichterschaltung 47, einer Impedanzwandlerschaltung 48 und einet Wechselstromverstärkers 49, einer monostabilen Kippstufe 51, der bistabilen Kippstufe 38 einer Schaltstufe 52 und des Lastwiderstands 42. Die 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 der besseren Übersicht halber beschriebene Schaltung ist in Fig. 3 genauer dargestellt. An einer Klemme 54 ist das Abschirmgeflecht 19 angeschlossen, während der Mittelleiter 13 an einer Klemme 56 angeschlossen ist. Der Ermitter eines Unijunctions-TransJsrors Ts 9 erhält seine Vorspannung über einen Widerstand R 1. Mit Hi¹Fa eines veränderbaren Widerstands RW 1 kann die Vorspannung der Basis 2 des Unijuncticns-Traniistors

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Ts 9 eingestellt werden. Ein Widerstand R 2 dient als Schutzwiderstand für den Fall, daß der Widerstand RW 1 versehentlich den Wert 0 erhalten hat.

Mit der Basis 2 ist ein spannungsverdoppeInder Spitzengleichrichter 57 verbunden, der die Kondensatoren C 1 und C 2 sowie die Dioden D 9 und D 10 umfaßt.

An diesen Spitzengleichrichter 57 schließt sich ein Impedanzwandler 58 an, der aus einem ^ Transistor Ts 2 und einem Ermitterwiderstand R 3 besteht. Diese Kollektorstufe ist Über einen

Kondensator C 3 mit einem zweistufigen Wechselspannungsverstärker 59 verbunden. Der Kondensator C 3 hat beim Ausführungsbeispiel, ebenso wie der Kondensator C 4 15/uF. Die Kondensatoren C 3 und C 4 haben daher einen sehr niedrigen Wechselstromwiderstand. FUr einen Transistor Ts 3 dienen Widerstände R 4 und R 5 als Basisspannungsteiler. Ein Widerstand R 7 dient als Gegenkopplungswiderstand, während ein Widerstand R 6 der Arbeitswiderstand fUr den Transistor Ts 3 ist. Wie aus dem Schaltbild ersichtlich, ist der Ausgang des Transistors Ts 3 galvanisch mit dem Eingang eines Transistors Ts 4 gekoppelt. fe Widerstände R 9 und R 28 sowie ein Kondensator C 14 stellen eine kombinierte Wechsel-

spannungs- und Gleichspannungsgegenkopplung dar, während ein Widerstand R 8 als Arbeitswiderstand fUr den Transistor Ts 4 dient. Ein Kondensator C 5 dient als Gegenkopplung fUr den Transistor Ts 4 und unterdrückt Störspitzen, die z.B. vom Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte stammen können. Der Kondensator C 5 isHn der zweiten Stufe wirksamer als wenn man ihn in der ersten Stufe verwenden würde, über den Kondensator C 4 und den Widerstand R 10 ist die monostabile Kippstufe 52 an den Wechselspannungsverstärker 59 angeschlossen. Seine Zeitkonstante wird hauptsächlich durch einen Kondensator C 6 und einen Widerstand R 15 besHmmt. Die monostabil® Kippstufe 5 . nifaßt

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Ts 5, Ts 6, einen Kopplungskondensator C 7 , einen Arbeitswiderstand R 13 für den Transistor Ts 5, einen BasisspannungszufUhrungswiderstand R 15, einen Gegenkopplungskondensator C 6 und einen Arbeitswiderstand Rio. Die monostabile Kippstufe 51 kippt dann um, wenn das Eingangssignal an der Basis des Transistors Ts 5 einen bestimmten Betrag Überschreitet. Daraufhin gibt die monostabile Kippstufe 51 einen Impuls definierter Dauer am Kollektor des Transistors Ts 6 ab. Ein Widerstand R 14 dient der Rückkopplung Über beide Stufen hinweg.

Die nunmehr folgende Bistabile Kippstufe 38 umfaßt zwei Transistoren Ts 7 und TS 8, Widerstünde R 17, R 18, R 19 und R 20, Kondensatoren C 8, C 9 und Dioden D 3 und D 4. Wie man am Aufbau der an sich bekannten bistabilen Kippstufe 38 erkennt, ist sie mit Vorspeichern in Gestplt der Kondensatoren C 8, C 9 und der Widerstände R 19 und R 20 ausgestattet, so daß sowohl zum Steuern in dem EIN-Zustand als auch in dem A US-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 fUr den Transistor Ts 7 dient ein Widerstand R 22 und als Arbeitswiderstand fUr den Transistor Ts 8 dienen Widerstände R 21 und R 24. Von deren Mittenabgriff aus wird ein Thyristor 1 an I

seiner Steuerelektrode angesteuert. Die angegebene Schaltung hat den Vorteil, daß der Thy 1 dauernd von der bistabilen Kippstufe 38 Strom erhält, wenn sich diese im EIN-Zustand befindet. Es braucht der Thyristor Thy 1 dann nicht dauernd nach jeder Halbwelle gezUndet zu werden, wie dies sonst Üblich ist. Der Thyristor Thy 1 gehört zusammen mit einem Schutzlsondensator C 14 und zwei Dioden D 1 und D 2 zur Schaltstufe 52. Die Diode D 1 sorgt dafür, daß der Strom im Sekundärkreis der Spule des Transformetors T immer in der gleichen Richtung fließt, während die Diode D 2 parallel zum Lastwiderstand 42 dazu dient, das

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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 Transformerton. Parallel zur Sekundärspule des Transformators liegt ein übertrager U 1, dessen Sekundärspule mit einer Grötz-Schaltung verbunden ist, die die Dioden D 5 - D 8 umfaßt. Ein Glöttungskondemator C 12 $orgt für die Spannungsgltfttung und ein Tramistor Ts 1 sorgt zusammen mit Zener-Dioden ZD 1 und ZD 2 für die Stabilisierung der Gleichspannung. Den Basissrrom fuhrt ein Widerstand R 27 zu. Ein weiterer Gltfttungskondensator C 13 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.

wird Vom Ausgang der bistabilen Kippstufe 38/uber einen Widerstand R 26 das Zeitglied 44 angesteuert, welches einen Uni {unctions-Transistor Ts 10 samt seinen Vorspannwiderständen R 23 und R 15 umfaßt. Ein Kondensator C 11 ergibt zusammen mit dem Widerstand R 26 die Zeitkonstante, nach der der Uni junctions-Transistor Ts 10 an der Basis 1 Über einen Kondensator C 10 und einen Widerstand R 12 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

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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 C dem Wechselspannungsverstärker 59 mit und der Annäherungsschalter schaltet einmal. Bleibt nun der Eimer stehen, so bleibt auch die Verstimmung konstant und da keine Änderung mehr auftritt, wirkt der Kondensator C 3 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 C 3 überträgt. Dies bedeutet, daß eine konstante Verstimmung des Oszillators 31 die Arbeitsweise des Annäherungsschalters nicht nachteilig beeinflussen kann.

In der monostabilen Kippstufe 51 entkoppelt der Widerstand R 10 die Ruckkopplung R 14 der Transistoren Ts 6 und Ts 5 sowie die Einspeisung vom Zeitglied 44 Über R 12. Es wurde herausge ä funden, daß die Schaltung vollständig ohne Schirm arbeiten kann, da sie durch geschickte Art der Verstärkung und Gegenkopplung sehr unempfindlich in Bezug auf Störspannungsspitzen ist.

Grundsätzlich könnte man die vom Uni junctions-Transistor Ts 10 über den Kondensator C 10 und den Widerstand R 12 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, obei υ er man mußte die Transistoren Ts 7 und Ts 8 als NPN-Transistoren ausbilden,

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Beim beschriebenen Annäherungsschalter hat die statische Aufladung der die Annäherungselektrode umgebenden Kunststoff fliese 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 diese nasse Fliese ein Ausschalten bewirkt.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Kapazitiver Annäherungsschalter mit einer Annäherungselektrode, die mit einem mindestens zeitweise einen negativen differentiellen Widerstand aufweisenden Bauelement verbunden ist, dadurc h gekennzeichnet, daß die Annäherungselektrode (12) als Antenne ausgebildet ist.

   2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Annäherungselektrode (12) Über ein Abschirmkabel (14) mit einem Schwingkreis (31) verbunden ist.

   3. Annäherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der Annäherungselektrode (12) eine Abschirmung (17) vorgesehen ist, die an einen Bezugspunkt des Schwingkreises (31) gelegt hf,

   4. Annäherungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (31) ein Unijunctions-Transisror-RC-Kreis ist.

   5. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwingkreis (31) ein Amplitudendiskriminator (32,51) und/oder ein Frequenzdiskriminaror (33) nachgeschaltet !sr.

   Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, 00981 2/U57

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   dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwingkreis (31) und dem Amplituden* diskriminator (32) eine Spannungsvervlelfacherstufe (57) liegt, der ein Impedanzwandler (58) nachgeschaltet ist.

   7. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Amplitudendiskriminator (32,51) bzw. dem Frequenzdiskriminator (33) |e eine Schwellwertstufe (34,36) nachgeschaltet ist.

   8. Annäherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplituden diskriminator (32) und die Schwellwertstufe (34) ein monostabiler Multivibrator (51) sind.

   9. Annttherungschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Amplitudendiskriminator (32, 51) ein gleichstromgekoppelter Wechse!spannungsverstärker (59) vorgeschaltet ist.

   10. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertstufe (34) eine bistabile Kippstufe (38) nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit einem Stromschalter, vorzugsweise einem

   ♦ Thyristor (Thy I) verbunden ist.

   11. Annäherungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der bistabilen Kippstufe (38) mit dem Eingang eines Zeifverzögerungigliedi (44) ver-Runden ist und daß der Ausgang des Zeitverzögerungsglieds (44) mit einem vor der

   bistabilen Kippstufe, liegenden Punkt verbunden ist.

   ORIGINAL INSPECTED

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   12. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß er als Stromversorgung eine Batterie aufweist.

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   L e e r s e'i t e