DE1762565A1 - Elektronischer Naeherungsschalter - Google Patents

Elektronischer Naeherungsschalter

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    • H03K3/2893—Bistables with hysteresis, e.g. Schmitt trigger

Description

1.7.68 Chr/Fu '
Anlage zur
Patentanmeldung
ROBERT BOSCH GmbH, Stuttgart W, Breltscheidstrasse
Elektronischer Näherungsschalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Näherungsschalter mit einem Schwingkreis, der durch Annäherung eines stromleitenden Gegenstandes bedämpfbar ist und bei dessen Bedämpfung ein Signalwechsel ausgelöst wird, und betrifft eine besondere Gestaltung der Schwingungserzeugung.
Es sind bereits Näherungsschalter bekannt, bei denen das Schwingverhalten eines selbsterregtan Oszillators durch das HeranfUhren einea stromleitendeti Gegenstandes beeinflußbar ist. Eine Oszillatorep*il© erzeugt In dem gfcromleitenden Gegenstand Wirbelströme, und
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der Oszillator wird infolge der damit verbundenen Verluste bedämpft. Damit ändert sich die Rückkopplung zwischen der Oszillatorspule und einer Rückkopplungsspule, wenn ein stromleitender Körper, beispielsweise ein Blech, in die Nähe der in einem Tastkopf angeordneten Spulen eines solchen Näherungsschalters gelangt. Die Amplitude der Schwingungen des Oszillators dient einer nachfolgenden Auswertestufe als Steuerspannung. Dieser Auswertestufe kann durch zweckdienliche Ausbildung ein bistabiles Verhalten verliehen werden; bei einer bestimmten Amplitude der Schwingungen erfolgt dann am Ausgang der Auswertestufe ein Signalwechsel. Der Auswertestufe folgt im allgemeinen eine Verstärkerstufe, und bei Annäherung des stromleitenden Körpers bis auf eine genau definierte Entfernung-vom Tastkopf des Näherungsschalters springt dessen Ausgangssignal beispielsweise vom "Aus"- auf den "Ein"-Zustand.
Charakteristisch für einen Näherungsschalter ist, in-welcher Entfernung dieser Schaltvorgang ausgelöst wird, oder, anders ausgedrückt, wie groß das Verhältnis von Schaltentfernung zu Tastkopfdurchmesser ist. Die selbsterregten Osziallatoren der bekannten Näherungsschalter arbeiten mit einer verhältnismäßig starken induktiven Rückkopplung. Die Bedämpfung des Oszillators und damit der Signalwechsel am Ausgang des Näherungsschalters erfolgt mittels Änderung der Rückkopplung durch die Wirbelstromverluste. Diese Näherungsschalter weisen nur kleine Werte der Schaltentferung auf und eignen sich,daher besonders für sogenannte Schlitzgeber, bei denen ein zwischen Oszillatorspule und Rückkopplungsspule gebrachter stromleitender Körper - beispielsweise eine Schaltfahne - den Schaltvorgang auslöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsschalter zu schaffen, der auch für größere Schaltentfernungen einsetzbar und vor allem für sogenannte Frontalgeber geeignet ist. Diese Aufgabe wird bei einem eingangs erwähnten Näherungsschalter nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erregung des Schwingkreises ein
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Generator schmaler Tastimpulse mit einer Wiederholfrequenz, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, und daß zur Auslösung des Signalwechsels eine von der Spannung am Schwingkreis beeinflußte Stufe vorgesehen sind.
Eine besonders gute Wirkung wird erreicht, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zurAuslÖsung des Signalwechsels eine vom Dämpfungsmaii) der im Schwingkreis durch die Tastimpulse angeregten Schwingung beeinflußte Stufe vorgesehen ist.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektronischen Näherungssehalters mit einem durch Impulse angeregten Schwingkreis,
Fig. 2 einen Stromlaufplan eines elektronischen Näherungsschalters gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Anordnung einer Koppelspule und einer Schwingkreisspule eines elektronischen Näherungssehalters auf einem Schalenkern, und
Fig. 4 einen Auszug aus einem Stromlaufplan eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Näherungsschalter gemäß der Erfindung.
Im Blockschaltbild der Fig. 1 regen die Impulse eines Impulsgenerators einen Schwingkreis 12 an; seine Schwingungen werden in einer Gleichrichterstufe I^ gleichgerichtet und mit einem Integrierglied 14 weitgehend integriert; die so gewonnene Signalspannung beeinflußt eine Auswertestufe 15 mit bistabilem Schaltverhalten,· diese Auswertestufe steuert eine Endstufe 16, die beispielsweise einen Schaltverstärker mit einer Leistungsstufe enthalten kann.
Die Schalteinrichtung nach Fig. 2 weist einen Unijunction-Transistor oder ein anderes Element mit ähnlichem Durchbruchverhalten
auf, von dessen Steuerelektrode ein Widerstand
■j-.tn eine im folgenden als Minusleitung bezeichnte Leitung 25 führt.
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Zwischen der zweiten Basis des Unijunction-Tiaisistors 21 und der Plusleitung 23 liegt ein Strombegrenzungswiderstand 26, zwischen der ersten Basis und der Minusleitung 25 eine Kopplungsspule 27, die zweckmäßigerweise auf einem vorzugsweise ferritischen Kern 28 (Fig. 3) aufgebracht ist. Selbstverständlich kann die Kopplungsspule 27 auch im Kreis der zweiten Basis des Unijunctiontransistors 21 angeordnet sein, und der Kreis der ersten Basis kann an eine Vorspannungsquelle angeschlossen sein. - Die Schalteinrichtung nach Fig. 2 wird von einer nicht dargestellten Spannungsquelle mit einer Gleichspannung von beispielsweise 12 V versorgt.
Auf demselben Kern 2δ, auf dem die Kopplungsspule 27 aufgebracht ist, ist auch eine Schwingkreisspule 29 aufgewickelt, deren eines Wickungsende an der Minusleitung 25 und deren anderes Ende an der Anode einer als Gleichrichterelement dienenden Diode 31 liegt. Parallel zur Schwingkreisspule 29 ist ein Schwingkreiskondensator 32 geschaltet. Zwischen der Kathode der Diode 31 und der Minusleitung i."5 liegt ein Ladekondensator 33ί von der Kathode der Diode 3I führt ein Widerstand 34 zur Steuerelektrode eines Halbleiter-Verstärker-Elements 35» vorzugsweise eines Feldeffekt-Transistors; von seinem als Steuerelektrode verwendeten Gate führt ein Ableitwiderstand 36 zur Minusleitung 25. Zwischen der Source des Transistors 35 und der Plusleitung 23 liegt ein Widerstand 37* zwischen dem Drain und der Minusleitung 35 ein Arbeitswiderstand 38·
An den Drain des Feldeffekttransistors 35 ist außerdem die Basis eines ersten Transistors 4l einer bistabilen Kippschaltung angeschlossen, mit dessen Emitter der Emitter eines zweiten Transistors 42 der Kippschal tune verbunden ist. In der gerneinsamen Zuleitung liegt ein Koppelwiderstand 43· Zwischen dem Kollektor des ersten Transistors 41 und der Plusleitung 23 liegt "ein Widerstand 44 undzwischen dem Kollektor des ersten und der Basis des zweiten Transistors 42 die Parallelschaltung aus einem Widerstand 46 und
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einem Kondensator 45· Die Basis des zweiten Transistors 42 ist über einen Widerstand 47 mit der Minusleitung 25 verbunden. Von der Plusleitung 23 führt ein Widerstand 48 zum Kollektor des zweiten Transistors 42 der bistabilen Kippschaltung, von da ein Widerstand 49 zur Basis eines Endstufentransistors 51* und von dort ein Widerstand 52 zur Minusleitung 25. Vom Kollektor des Endstufentransistors 51 führt ein Widerstand 52 zur Plusleitung 23 und eine Verbindung zum Ausgangsanschluß 54. Der Emitter des Transistors 1st mit der Minusleitung 25 verbunden.
In Fig. 3 ist eine Anordnung der Spulen 27* 29 gezeigt. Diese sind auf den Kern 28, der beispielsweise schalenförmig, E-förmig oder zylindrisch ausgebildet sein und aus Ferrit bestehen kann, in der einen oder anderen Reihenfolge aufgewickelt; die Anordnung befindet sich zusammen mit dem übrigen Schaltungsaufbau in einem Gehäuse 55, das zylindrisch geformt und mit einem Kunstharz ausgegossen sein kann. Dem durch die Spulenanordnung mit dem Kern 28 gebildeten Tastkopf des Näherungsschalters kann ein stromleitender Körper 56, beispielsweise ein Blech, frontal genähert werden, wie das durch Pfeile angedeutet ist.
Die Schalteinrichtung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt: Wenn der Näherungsschalter mit der Spannungsquelle verbunden worden ist, fließt über den Widerstand 22 ein Ladestrom in den Kondensator 24. Nach Erreichen einer bestimmten Spannung über dem Kondensator 24 zündet der Unijunctiontransistor 21, und der Kondensator 24 entlädt sich über dessen Basis-Emitter-Strecke und die Koppelspule 27. Der Kollektor-Emitter-Strom des Unijunction-Transistors 21 wird dabei durch den Begrenzungswiderstand 26 begrenzt» Wenn der Kondensator 24 im wesentlichen entladen ist, sperrt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 21; die Aufladung beginnt von neuem. Der beim Zünden des Transistors 21 entstehende Stromstoß überträgt sich von der Koppelspule 27 über den Kern 28 als Taktimpuls auf die Schwingkreisspule 29 und facht im Schwingkreis 29, 32 eine Sehwingung an. Diese Schwingung klingt entsprechend -arm Dämpfungsveplusfeen des Schwingkreises logarithmisch ab.
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Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 29, 32 ist groß im Verhältnis zu der WJsderholfrequenz der Tastimpulse, die mit der Koppelspule 27 auf den Schwingkreis übertragen werden. Erst wenn die Schwingungen im Schwingkreis 29, 32 weitgehend abgeklungen sind, facht ein neuer Tastimpuls einen neuen Schwingvorgang an.
Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt beispielsweise zwischen 50 kHz und 1 MHz; die Wiederholfrequenz der Tastimpulse beträgt den fünfzigsten bis zweihundertsten Teil davon.
Die über den Schwingkreis 29* 32 entstehende Spannung wird von der Diode 31 gleichgerichtetj der Kondensator 33* der zusammen mit dem Widerstand 34 ein Integrierglied bildet, lädt sich auf eine bestimmte mittlere Spannung auf. Diese Spannung ist genügend groß, den über die weiteren Schaltelemente angeschlossenen Feldeffekt-Transistor 35 leitend zu machen. An der Basis des ersten Transistors 4l der an sich bekannten bistabilen Kippschaltung herrscht dann ein positives Potential, und Transistor 41 1st leitend. Demzufolge ist der zweite Transistor 42 nichtleitend und der Endstufentransistor 51 leitend, so daß am Ausgang 54 die Information "Aus" erscheint.
Nähert man den stromleitenden Körper 56 dem Tastkopf des Näherungsschalters mit den auf dem Kern 28 angeordneten Spulen 27, 29, so dämpft er den Tastiumpuls und die Schwingung im Schwingkreis 29, 32. Dadurch, daß der stromleitende Körper 56 das magnetische Kopplungsfeld von der Spule 27 zur Spule 28 dämpft, weist bereits die erste Halbschwingung im Schwingkreis 29, 32 eine kleinere Amplitude auf als ohne die Dämpfung. Auch die folgenden Schwingungsamplituden nehmen rascher ab, denn der stromleitende Körper befindet sich gleichermaßen im magnetischen Feld der Schwingkreisspule 29. Die Spannung am Ausgang des Integrierglieds 33, 34 stellt sich auf einen kleineren mittleren Wert der von der Diode 31 gleichgerichteten Schwingungen ein.
Ist der stromleitende Körper 56 bis auf eine bestimmte Entfernung an den Tastkopf 27, 28, 29 des Näherungsschalters angenähert, reicht die vom Integrierglied 33, ^k abgegebene Spannung nicht mehr aus, den Feldeffekttransistor 35 leitend zu halten. Wenn er in den nieht-
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leitenden Zustand übergeht, wird auch der erste Transistor 41 der bistabilen Kippschaltung gesperrt, der-Transistor 42 ist dann leitend und der Endstufentransistor 51 gesperrt. Am Ausgang 54 erscheint das Signal "Ein ". ' ■
Es ist durchaus möglich, die Reihenfolge von Verstärkerstufe und Gleichrichterstufe zu vertauschen, ohne daß sich an der Wirkungsweise des Näherungsschalters grundsätzlich etwas ändert. So kann der Schwingkreis 29, 32 einen Transistor steuern, der dann als Wechselspannungsverstärker wirkt und dessen Ausgangssignal mittels einer Diode gleichgerichtet wird. Den anschließend von einem Integrierglied gebildeten. Mittelwert der verstärkten und gleichgerichteten Schwingungen kann (| gegebenenfalls eine bistabile Kippschaltung direkt auswerten.
Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 auszugsweise dargestellt. Gleiche Teile sind in Fig. 2 und Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Das heiße Ende des Schwingkreises 29, 32 ist direkt mit dem Gate eines Feldeffekttransistors 47 verbunden. Die Source des Feldeffekttransistors 57üegt an der Plusleitung 23, der Drain über einen Widerstand 58 an der Minusleitung 25· Am Drain ist die Anode einer Diode 31 angescnlossenj zwischen der Kathode dieser Diode 31 und der Minusleitung 25 liegt ein Ladekondensator 33* zwischen der Kathode und der Basis eines Verstärkertransistors 59 ein Widerstand Zwischen der Basis des Verstärkertransistors 59 und der Minusleitung 25 liegt ein Eichwiderstand 36, mit dessen Wert die Schaltentfernung f eingestellt werden kann, und eventuell ein weiterer zum Glätten der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 59 dienender Kondensator 6l. Der Kollektor des Verstärkertransistors 59 ist einerseits über den Kollektorwiderstand 62 an die Plusleitung 23 und andererseits direkt mit der Basis des ersteh Transistors 4l der Kippschaltung verbunden.
Die Wirkungsweise dieses weiteren Ausführungsbeispiels wurde oben schon angedeutet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Transistor 57 bei entsprechender Schaltungsdimensionierung zusätzlich auch die Gleichrichtung übernehmen, wodurch die Diode 31 überflüssig •wird. Zweckmäßigerweise - vor allem wegen der Temperaturabhängigkeit der Parameter - verwendet man für diese Variante keinen Feldeffekttransistor, sondern einen herkömmlichen Siliziumtransistor.
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J Dadurch, daß die Schwingungen im Schwingkreis 29, 32 mit Tastimpulsen angestoßen werden, deren Impulsdauer klein ist gegenüber der Abklingzeit der angestoßenen Schwingungen, ist das Sehwingverhalten des Kreises 29, 32 ein gutes Maß für die Kreisdämpfung. Um - wie bei einem erfindungsgemäßen Näheliingsschalter - das Schwingverhalten eines bedämpften Schwingkreises für Schaltvorgänge auszuwerten, stehen hauptsächlich drei Schwingkreis-Parameter zur Verfügung: erstens die Resonanzfrequenz, die sich beim Annähern eines stromleitenden Körpers an den Tastkopf verringert, zweitens die Spitzenspannung der ersten Halbschwingung, die sich ebenfalls verringert; und drittens das Dämpfungsmaß. Bevorzugt wird bei der vorliegenden Erfindung, wie geschildert, die Auswertung von Spitzenspannung und Dämpfungsmaß.
Der Näherungsschalter läßt sich sehr einfach und betriebssicher aufbauen da nur das Dämpfungsmäß des Schwingkreises 29, 32 und gegebenenfalls die Höhe des Tastii.ipulses die nachfolgende Auswertestufe 35* ^3, 42 beeinflußt, jedoch keine Rückkopplung im Schaltkreis des Tastkopfes 27, 28, 29 vorgesehen ist. Aus dem gleichen Grund läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter eine hohe Ansprechempfindlichkeit sowie eine günstige Sehaltentfernung erzielen. Bei einem ausgeführten Gerät mit δ mm Tastkopfdurchmesser ergab sich z. B. ein Schaltabstand von 10 mm.
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Claims (1)

  1. Robert Bosch GmbH - R. 9157 Chr/Pu
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    Ansprüche;
    1. Elektronischer Näherungsschalter mit einem Schwingkreis, der durch Annäherung eines stromleitenden Gegenstandes bedämpfbar ist und bei dessen Bedämpfung ein Signalwechsel ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des Schwingkreises (29, 31.) ein Generator (21) schmaler Tastimpulse mit einer Wiederholfrequenz, die vorzugsweise wesentlich kleiner ist als die Resonanzfequenz des Schwingkreises, und daß zur, Auslösung des Signalwechsels eine von der Spannung am Schwingkreis (29* 32) beeinflußte Stufe (35, 4l, 42) vorgesehen sind. ■
    2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des Signalwechsels eine vom Dämpfungsmaß der im Schwingkreis (29* 32) durch die Tastimpulse angeregten Schwingung beeinflußte Stufe (35, 4l, 42) vorgesehen ist.
    3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des Signalwechsels eine von der Hohe der Spannungsamplituden der im Schwingkreis (29/32) erregten Schwingung beeinflußte Stufe (35, 4l, 42) vorgesehen ist.
    4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (?9, 32) etwa fünfzig- bis zwelhundertmal so groß ist wie die Wiederholfrequenz der Tastimpulse.
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    Robert Bosch GmbH ju R. 9157 Chr/Fu
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    5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber für die Tastimpulse ein Sperrschwinger (Pl) vorgesehen ist.
    6. Näherungsschalter nach,Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß
    der Sperrschwinger als-aktives Element einen Unijunction-Transistor (21) enthält.
    7. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastimpulse über ein induktives Kopplungsorgan (27) dem Schwingkreis (29, 32) zugeführt werden und daß der Tastkopf (27, 28, 29) des Näherungsschalters dieses Kopplungsorgan enthält.
    8. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die am Schwingkreis (29, 32) abgenommene Spannung» gegebenenfalls nach Verstärkung, gleichgerichtet und über ein Integrierglied (33, 31O einem spannungsabhängigen Schaltkreis, vorzugsweise einem Schaltkreis mit Kippverhalten, zugeführt wird.
    9. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die am Schwingkreis (29, 32) abgenommene Spannung in einer vorzugsweise einen Feldeffekttransistor (57) enthaltenden Verstärkerstufe verstärkt, dann gleichgerichtet und über ein Integrierglied (33, 34) einem spannungsabhängigen Schaltkreis, vorzugsweise einem Schaltkreis mit Kippverhalten, zugeführt wird.
    00S827/1B5 8 . 3 „
    Robert Bosch GmbH §J R. 9157 Chr/Fu
    Stuttgart
    IQ. .Näherungsschalter naeh einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die an einem Schwingkreis (29, 32) abgenommene Spannung in einer nur ein einziges aktives Element enthaltenden Verstärkerstufe mit hochohmigem Eingang gleichzeitig verstärkt und gleichgerichtet und über ein Integrierglied (33 j 31O einem spannungsabhängigen Schaltkreis', vorzugsweise einem Schaltkreis mit Kippverhalten, zugeführt wird.
    11. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (29, 32), gegebenenfalls über weitere Schaltelemente, an den Eingang eines Feldeffekttransistors (35) angeschlossen ist.
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