DE1765593A1 - Elektronischer Naehrungsschalter - Google Patents
Elektronischer NaehrungsschalterInfo
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- H03K17/945—Proximity switches
- H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
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- Electronic Switches (AREA)
Description
R. 9156
7.6.1968 Chr/Sz
7.6.1968 Chr/Sz
Anlage zur
ROBERT BOS C H GMBH, Stuttgart V, Breitscheldstraße 4
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Näherungsschalter
mit einem Tastkopf, in dem eine zu einem Schwingkreis gehörende Spule und eine Rückkopplungsspule angeordnet sind, die beide zu einem Oszillator
gehören, dessen Schwingverhalten durch vorzugsweise frontales Annähern eines stromleitenden Gegenstands beeinflußbar ist,
und betrifft die besondere Gestaltung des Tastkopfs.
Es Bind bereits Näherungsschalter bekannt, bei denen das Schwingverhalten
oine:j Oszillators durch das Heranführen einos s tromleifcenden
Gegenstände beeinflußbar ist. In einer solchen Vorrichtung wird beispielsweise
die Rückkopplung zwischen einer Oszillatorspule und einer Rückkopplungsspule geändert, wenn ein Blech in die Näho der Oszillatorspule
gelangt. Eine zweckdienliche Anordnung des Rückkopplungs-
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kreises verleiht dem Näherungsschalter ein bistabiles Verhalten, er
schaltet also bei Annäherung des Blechs bis auf eine genau definierte
Entfernung von "Aus"- auf den "Ein11-Zustand.
Charakteristisch für einen Näherungsschalter ist, in welcher Entfernung
der SchaltKorgang durch die Annäherung eines Blechs oder eines sonstigen stromleitenden Gegenstandes ausgelöst wird, also das Verhältnis
von Schaltentfernung zu Tastkopf-Druchmesser. Die bekannten
Näherungsschalter haben nur geringe Schaltentfernungen und eignen sich daher besonders für sogenannte Schlitzgeber, d. h. Näherungsschalter,
bei denen der Schaltvorgang dadurch ausgelöst wird, daß ein Blech oder dergleichen zwischen die Oszillatorspule und die
Rückkopplungsspule gebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsschalter zu schaffen, der auch für größere Schaltentfernungen eingesetzt
werden kann und der vor allem für Frontalgeber geeignet ist. Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Näherungsschalter nach
der Erfindung dadurch gelöst, daß im Tastkopf ein etwa E-förmiger ferritischer Magnetkern angeordnet ist und daß auf dem einen äußeren
Schenkel dieses Kerns die zum Schwingkreis gehörende Spule und auf dem anderen äußeren Schenkel dieses Kerns die Rückkopplungsspule
angeordnet ist.
Weitere Einzelheiten ui.d vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
FLg. L die Sehr, tunf eines elektronischen Näherungsschalters mit
biotabiltm Schaltverhalten, und
Fig. 2 die Anordnung der zu diesem Näherungsschalter gehörenden Oszillator- und der Rückkopplungsspule auf einem E-Kern.
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Die Schalteinrichtung nach Fig. 1 weist vier Transistoren auf, und
zwar einen npn-Transistor 10, der zusammen mit zwei Spulen 11, 12
einen Oszillator bildet, ferner einen pnp-Transistor 13, der als
Wechselspannungs-Schwellwertverstärlcer dient, und zwei npn-Transistoren
14, 15 zum Ansteuern einer nicht dargestellten Vorrichtung,
die wahlweise auf positive oder auf negative Schaltflanken ansprechen kann.
Die Schalteinrichtung nach Fig. 1 wird von einer nicht dargestellten
Spannungsquelle mit einer Gleichspannung von beispielsweise 12 V ver- M
sorgt. An diese Spannungsquelle sind über einen Siebwiderstand 16 eine
im folgenden als erste Plusleitung bezeichnete Leitung 17 und außerdem eine im folgenden als Minusleitung bezeichnete Leitung 18 angeschlossen.
Der Emitter des Transistors 10 ist über einen Widerstand 21 mit der
Minusleitung 18 verbunden, an die auch die Emitter der Transistoren und 15 angeschlossen sind.
Die Spule 12 dient als Rückkopplungsspule des Oszillators; sie ist
mit ihrem einen Ende über einen Dämpfungswiderstand 19 an die Basis
des Oszillatortransistors 10 angeschlossen und mit ihrem anderen Ende einerseits mit einem Punkt 23 konstanten Potentials, andererseits üb
einen Kondensator 24 mit dem Abgriff 25 der Serienschaltung zweier
Widerstände 22-, 26 verbunden, die im Kollektorkreis des Wechselspannungs-Schwellwertverstärkers
13 liegen. Bei einer Oszillatorfrequenz von 500 kHz hat der Kondensator 24 ζ. B. einen Wert von etwa 100 pF.
Zwischen der ersten Plusleitung 17 und dem Punkt 23 liegt ein Widerstand
27, zwischen dem Punkt 23 und der Minusleitung 18 ein Widerstand 28.
Der Kollektor des Oszillatortransistors 10 ist über einen Kollektorwiderstand
32 mit der Basis des Traneistors 13 und mit dem einen
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Anschluß eines Farallelschwingungskreises verbunden, der aus der
Schwingkreisspule 11 und einem Kondensator 33 besteht und mit seinem anderen Anschluß an der ersten Plusleitung 17 liegt.
Die Spulen 11 und 12 sind induktiv miteinander gekoppelt. Durch Annähern
eines in Fig. 1 nicht dargestellten stromleitenden Gegenstands kann diese Kopplung verringert und - bei entsprechender räumlicher
Ausbildung der Schalteinrichtung - so weit verringert werden, daß der Oszillator 10, 11, 12, 33 zu schwingen aufhört. Im Sinne der
Erfindung ist es jedoch in den meisten Fällen vorteilhafter, die Kopplung nur so weit zu verringern, daß der Oszillator noch schwingt,
jedoch mit geringerer Amplitude, wie das im folgenden noch beschrieben wird. Durch geeignete elektrische und räumliche Bemessung kann
dies ohne weiteres erreicht werden.
Der Emitter des Schwellwertverstärkertransistors 13 ist an den -Verbindungspunkt
zweier als Spannungsteiler dienender Widerstände 35» 36 angeschlossen, die zwischen der ersten Plusleitung 17 und der Minusleitung
18, also an einer festen Spannung, liegen. Der Widerstand 26 liegt mit seinem einen Anschluß am Abgriff 25, mit seinem anderen Anschluß
an einem Verbindungspunkt 34·» der seinerseits über eine Parallelschaltung
aus einem Siebkondensator 37 und zwei in Serie geschalteten Widerständen 38, 39 mit der Minusleitung 18 verbunden ist. An
dem Verbindungspunkt 41 dieser Widerstände 38, 39 ist die Basis des
Transistors 14 angeschlossen. Zwischen der ersten Plusleitung 17 und
der Minusleitung 18 liegt ein Siebkondensator 42; von der in Fig. 1 nicht dargestellten Gleichspannungsquelle führt eine zweite Plusleitung
43 an den Siebwiderstand 16.
Der Kollektor des Transistors 14 ist an eine Ausgangsklemme 44, über
einen Kollektorwiderstand 45 an die zweite Plusleitung 43 und über
einen Strombegrenzungswiderstand 46 an die Basis des Transistors 15
angeschlossen; die Basis des Transistors 15 ist über einen Widerstand
47 mit der Minusleitung 18 verbunden. Der Kollektor des Transistors 15 ist an eine Ausgangeklemme 48 und über einen Kollektorwiderstand
49 an die zweite Plusleitung 43 angeschlossen.
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Bei der in Pig. 2 dargestellten .Anordnung der Spulen 11 und 12 sind
auf einem z. B. aus einem Ferrit bestehenden Kern 51) der zweckmäßig
eine Ε-Form aufweist, auf dem einen äußeren Schenkel 52 die Schwingkreisspule
11 und auf dem anderen äußeren Schenkel 53 die Rückkopplungsspule 12 aufgebracht; der mittlere Schenkel 54 ist ohne Bewicklung.
Der Kern 51 mit den Spulen 11 und 12 stellt den Tastkopf des Näherungsschalters dar. Der Tastkopf sowie der gesamte übrige, in
Fig. 1 dargestellte Schaltungsaufbau befindet sich in einem Gehäuse 55,
das beispielsweise mit einen Kunstharz ausgegossen sein kann. Dem Mäherungsschalter kann ein stromleitender Körper 56, z. B. ein Blech,
frontal genähert werden, wie das in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist^
Die Schalteinrichtung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Es sei zunächst
angenommen, der stromleitende Gegenstand 56 befinde sich in einer solchen
Entfernung von den Spulen 11 und 12, daß die Rückkopplung noch ausreichend ist, um die Schwingbedingung des Oszillators 10 zu erfüllen,
so daß dieser mit einer Frequenz von beispielsweise 500 kHz
schwingt. Da die Amplitude der Spannung am Schwingkreis 11, 33 in diesem Fall kleiner ist als das am Emitter des Transistors 13 eingestellte
feste Potential, wird diese Spannung vom Transistor 13 nicht verstärkt; der Transistor 13 bleibt nämlich gesperrt, weil diese
Spannung unter dem zum Leitendmachen erforderlichen Schwellwert liegt.
Entsprechend liegt am Verbindungspunkt 41 - und demzufolge auch am Ausgang 48 - ein negatives und am dazu komplementären Ausgang 44 ein Λ
positives Potential (der Transistor 14 ist in diesem Fall gesperrt, da seine Emitter-Basis-Spannung gleich Null ist).
Wird nun der atroaleitende Gegenstand 56 von den Spulen 11 und 12
entfernt, oo wird die Rückkopplung stärker und die Spannung am Schwingkreis
11, 33 steigt etwas an. Bei einem bestimmten Abstand wird diese
Spannung so groß, daß der Schwellwert-Verstärkertransistor 13 Jeweils bei den negativen Spannungsspitzen zu leiten beginnt, so daß am Abgriff
25 üρannungsimpulse entstehen.
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Diese Spannungsimpulse werden über den Kondensator 24 Im Sinne einer
positiven Rückkopplung zum Oszillatortransietor IO zurückgeführt.
Dadurch wird die Amplitude der Spannung an Schwingkreis 11, 33 weiter
erhöht, und die Spannung schaukelt sich innerhalb von zwei bis drei
Perioden auf einen stabilen Wert auf. Die Spannungsimpulse am Abgriff
25 haben dann - infolge der Sättigung des Transistors 13 ihren
größten Wert erreicht, so daß über den zweiten Rückkopplungskreis, der aus dem Schwellwert-Verstärkertraneistor 13, dem Widerstand
22 und dem Kondensator 24- besteht, keine größeren Spannungs werte
mehr übertragen werden können.
Am Kondensator 37 entsteht durch die Spannungsimpulse eine wellige
Gleichspannung, die den Transistor 14 leitend steuert, so daß der Ausgang 44 auf den Wert "Aus" geht. Die Widerstände 38, 39 sind dabei
für den Pail vorgesehen, daß der Transistor 13 bereits vor Erreichen
der größeren Spannung einen kleinen Kollektorstrom führen sollte. Der Spannungsabfall am Widerstand 39, der durch einen aolchen kleinen
Kollektorstrom dann hervorgerufen wird, reicht nicht aus, um den Transistor 14 leitend zu machen. Dieser Transistor ändert also erst
bei Erreichen einer bestimmten Spannungshöhe am Ausgang des Schwellwert-Verstärkertransistors
13 seinen Leitfähigkeitszustand.
Wie ersichtlich, erfüllt der Transistor 13 in der Schaltung eine mehrfache
Funktion, nämlich einmal als Verstärker mit Ansprechschwelle im zweiten Rückkopplungskreis und dann als Gleichrichter mit Ansprechschwelle
für den Transistor 14. Man spart dadurch eine besondere Diode ein. Es ist jedoch auch möglich - beispielsweise bei Verwendung von
integrierten Schaltkreisen - Verstärker und Gleichrichter getrennt auszuführen.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Schaltung ist ihre kurze
Ansprechzeit, was dadurch erreicht wird, daß der Oszillator der Schalteinrichtung im Betrieb stets schwingt, so dal eine sonst für das Anschwingen
des Oszillators erforderliche »ualtzliche Zeit wegfallt.
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Die Schalteinrichtung arbeitet jedoch auch dann völlig zufriedenstellend,
wenn durch starkes Annähern des Gegenstands 56 die Kopplung der Spulen 11 und 12 so weit verringert wird, daß die Schwingbedingung
des Oszillators nicht mehr erfüllt ist. Dabei sinkt die Spannung am Schwingkreis 11, 33 auf Null.
Hierdurch erhält man bei geeigneter Bemessung der Schalteinrichtung
je nach Annäherung des Gegenstands 56 drei stabile Schaltzustände,
nämlich einen ersten Schaltzustand, bei dem die Oszillatorspannung also
die Spannung über dem Schwingkreis 11, 33 - gleich Null ist, einen zweiten, bei dem sie zwar vorhanden ist, weil der Oszillator
schwingt, aber zu klein, um den Transistor 13 leitend zu machen, und einen dritten stabilen Schaltzustand, bei dem die Amplitude der Oszillatorspannung
so groß ist, daß der Transistor 13 und damit auch der Transistor 14 leitend ist. Im letztgenannten Fall ist dann Transistor
15 nichtleitend; der Ausgang 48 ist auf "Ein" geschaltet.
Der magnetische Kreis der Oszillatorspule 11, die - wie in Fig. 2 veranschaulicht - auf dem einen äußeren Schenkel 52 des Kerns 51
aufgebracht ist, schließt sich hauptsächlich über den vor dem Tastkopf liegenden Raum zum mittleren - unbewickelten - Schenkel 54-·
Nur ein Teil des magnetischen Flusses erstreckt sich - ebenfalls über den vor dem Tastkopf 51 liegenden Raum - zum anderen äußeren
Schenkel 53 des Kerns 51 und beeinflußt über die Spule 12 den magnetischen
Rückkopplungskreis des Oszillators.
Bewegt sich der stromleitende Körper 56 in Richtung auf den Näherungsschalter,
dann dämpft er die Rückkopplung von der Schwingkreisspule 11 auf die Rückkopplungsspule 12 und damit die Oszillatoramplitude.
Schon in verhältnismäßig großer Entfernung des Körpers 56 vom Tastkopf 51 sinkt die Oszillatoramplitude von ihrem Maximum auf
Null, wobei die genannte Abdämpfung innerhalb einer kurzen Wegstrecke erfolgt.
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Wegen der räumlichen Trennung von Schwingkreisspule 11 und Rückkopplungsspule
12 und dadurch, daß sich der magnetische Kreis hauptsächlich über den mittleren Schenkel 54 des Kerns 51 schließt, ist die
magnetische Kopplung sehr gering. Der Näherungsschalter reagiert durch diese vorteilhafte Ausbildung sehr empfindlich auf die Annäherung
eines stromleitenden Körpers, und zwar schon bei einer relativ großen Entfernung des stromleitenden Gegenstands im Verhältnis
zur Breite des E-Kerns 51· Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Näherungsschalters gegenüber anderen bekannten
Näherungsschaltern. Mit Hilfe des Dämpfungswiderstands 19 ist die Rückkopplung erfindungsgemäß so einstellbar, daß der Oszillator
gerade noch in dem oben geschilderten dritten stabilen Zustand schwingt, wenn sich kein stromleitender Körper in seiner Nähe befindet.
Dank ihres einfachen Aufbaus kann die Erfindung mit Vorteil bei Vorrichtungen
angewandt werden, in denen ein Schaltzustand von der Lage eines stromleitenden Körpers - beispielsweise eines Blechs, einer
Trennwand oder einer Schaltfahne - abhängig sein soll. Besonders vorteilhaft ist, daß die Erfindung als Frontalgeber mit großer
Schaltentfernung eingesetzt werden kann, also eine Schalteinrichtung,
die bereits bei großer Entfernung des bewegten Körpers vom Tastkopf anspricht. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße
Tastkopf auch in Verbindung mit anderen Schalteinrichtungen verwendet werden; dies ist ein weiterer Vorzug der Erfindung.
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Claims (3)
1. Elektronischer Näherungeschalter mit einem Tastkopf, in dem eine
zu einem Schwingkreis gehörende Spule und eine Rückkopplungsspule angeordnet sind, die beide zu einem Oszillator gehören, dessen
Schwingverhalten durch vorzugsweise frontales Annähern eines stromleitenden Gegenstands beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Tastkopf ein etwa E-förmiger ferritischer Magnet-™
kern (51) angeordnet ist und daß auf dem einen äußeren Schenkel (53
dieses Kerne(51) die zum Schwingkreis gehörende Spule (11) und auf
dem anderen äußeren Schenkel (55) dieses Kerns (51) die Rückkopplungsspule (12) angeordnet ist.
2. Elektronischer Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungswiderstand (19) in Serie zur Rückkopplungsspule (12) angeordnet ist.
3. Elektronischer Näherungeschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Oszillator neben dem durch die Rückkopplungsspule (12) und die zum Schwingkreis gehörende Spule (11) bestimmten RUckkopplungskreis einen zweiten Rückkopplungekreis (22,
24) aufweist, der erst bei einem bestimmten Mindestwert der Oszil
litoramplitud· wirk·»λ wird.
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Jo
Leerseite
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