DE1765593A1

DE1765593A1 - Elektronischer Naehrungsschalter

Info

Publication number: DE1765593A1
Application number: DE19681765593
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dieter; Juergen Dipl-Ing Schick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1968-06-14
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1971-03-04
Also published as: AT293523B; CH488278A; FR2010855A1

Description

R. 9156
7.6.1968 Chr/Sz

Anlage zur

ROBERT BOS C H GMBH, Stuttgart V, Breitscheldstraße 4

Elektronischer Näherungsschalter

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

Robert Bosch GmbH J R. 9156 Chr/Sz Stuttgart Ansprüche

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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