DE1812652B2 - Elektronischer Annäherungsschalter - Google Patents

Description

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema des erlindungsgemäßen Annäherungsschalters und

F i g. 2a. 2b, 2c dre^! erfindungsgemäße Ausführungen der veränderbaren Induktivität.

Der Schaltkreis nach F i g. 1 enthält einen einzigen Transistor Γ, der mit einer einzigen Spannung V gespeist wird, deren Wert innerhalb der Grenzen der zulässigen Betriebswerte des verwendeten Transistors T geändert werden kann und beispielsweise auf einen Absolutwert von 20 Volt festgc-- i/t sein soll.

Die Spannung K speist den Emitter des Transistors Γ. der sowohl vom pnp-Typ (wie in der Zeichnung) als \ cm npn-Typ beliebigen Aufbaus sein kann, über einen Vorwiderstand Re. Zusätzlich zur Funktion, den Emitter mit einer Vorspannung zu versorgen, bildet Re den Weg, über den eine Kapazität oder ein Kondensator C aufgeladen wird. Der Kondensator C wird über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T und über eine in Serie mit der Basis des Transistors T liegenden veränderbaren Induktivität L entladen. Die Kapazität C, der Transistor T und die Induktivität L bilden einen Oszillator. Die veränderbare Induktivität kann jegliche Form, Größe und bauliche Gestaltung entsprechend den Erfordernispen ihrer Anwendung aufweisen. Es kann ganz allgemein gesagt werden, daß die Änderung der Induktivität gemäß der baulicnen Gestaltung der Spule erreicht wird, indem ein ferromagnetisches Element von äußerst kleinen Abmessungen, z. B. ein Bauteil mit einem Volumen kleiner als 1 mm³, näher an die Spule herangebracht oder in diese eingeführt wird, woraus deutlich wird, daß die Vorrichtung in der Lage ist, ferromagnetische Teile mit sehr weit veränderbaren Abmessungen auf weit veränderbare Entierpungen nachzuweisen. Das ferromagnetische Material kann aus einem Stück bestehen oder die Form eines elektroplattierten Überzuges oder eines im Vakuum hergestellten Niederschlages auf einem Metall- oder einem beliebigen Kunststoff träger haben.

Im besonderen (F i g. 2a) kann die Induktivität einfach aus einem zu einer Spule gewundenen Leiter a geformt sein, in die ein Steg b aus ferromagnetischem Material eingeführt werden kann, der somit eine Erhöhung des InduktivItätswertes bewirkt, während die Zurücknahme des Steges den ursprünglichen Induktivitätswert ergibt. Eine andere Bauart des von einer Induktivität nach F i g. 2 gebildeten Detektorelementes wird erhalten durch Aufwickeln einer Spule el auf einem Steg e aus Ferritkern mit rechteckiger Hysteresisschleife, wobei die Windungen äußerst eng und auf dem Ende dieses Steges konzentriert sind, um damit ein hohes Auflösungsvermögen zu erhalten. Ein bewegliches Element, das mit der Spule d elektromagnetisch gekoppelt ist, indem es näher an diese heranbewegt wird, kann aus Weicheisen bestehen und ist in der Zeichnung als mit Zähnen versehenes Rad / dargestellt. Eine weitere Bauart für das Detektorelement wird nach F i g. 2c erhalten, indem eine Spule gum einen für magnetische Speicher verwendeten Kern gewickelt wird, der ras dem erwähnten Ferritkern hergestellt und mit einem Einschnitt versehen ist, in dem sich ein Element /, beispielsweise ein gezahntes Rad, bewegt.

In dem Schaltkreis nach F i g. 1 werden die an der Basis des Transistors T auftretenden und infolge des Kondensators C und der Induktivität/, im Zustand der Nichterfassiing (/. B. wenn das ferromagnetische Element von der Induktivität entfernt ist) auftretenden Schwingungen mit einem Kondensator Ch über eine Diode D, die in der angegebenen Richtung gepolt ist, auf den Emitter des Transistors 7~zurüekgckoppelt. Die normalerweise zwischen dem Punkt E und dem Kollektor des Transistors T eingeschaltete Last wird hier von einer Zener-Diode Z gebildet, die den

ίο Gleidistrombetrieb de; Schaltung besser stabilisiert. Das Ausgangssignal I u wird an einem Kollektor-Ausgangswiderstand Ru abgenommen, der die Funktion hat, die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T für einen vorgegebenen Wert des Emitter-Vorwider-

Standes Re mit einer Vorspannung zu versorgen, während ein als ein Integrator funktionierender Kondensator Cu die Ausgangsschwingungen glättet.

Die Arbeits- oder Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 ist wie folgt: I\ der Annahme, daß die

Induktivität /_ im Zustand der Nichterfassung ist, liegt der Aus-Zustand vor, in dem die Induktivität L, die, wie erwähnt, in den verschiedensten Bauarten ausgeführt sein kann, nicht magnetisch mit dem beweglichen Teil gekoppelt ist, das die Umschaltung be-

sorgt. Um Schwingungen am Emitter des Transistors T zu erhalten, ist als Bedingung für ihr Auftreten erforderlich, daß hinter den Punkten F-E eine Impedanz vorhanden ist, die aus einem negativen Widerstand und einer positiven Reaktanz, d. h. durch eine Induktivität, gebildet ist.

Eine Untersuchung der äquivalenten Schaltung hinter den Punkten F— Vergibt, daß die gleichzeitigen Bedingungen für negativen Widerstand und positive Reaktanz nur dann auftreten, wenn die dynamische Kapazität Cc (nicht dargestellt) zwischen dem Kollektor und der Basis unter einem best'mmten Wert liegt, der von den Kennlinien des verwendeten Transistors abhängt, und nur dann, wenn der Wert der Induktivität L einen bestimmten Wert übersteigt, der in gleieher Weise von den genannten Kennlinien des verwendeten Transistors abhängt. Diese beiden Bedingungen können mit einem beliebigen Transistor erreicht werden, indem der Wert der Induktivität L, wie z. B. von einigen wenigen Tausenden eines μΗ bis zu

mehreren hundert μΗ, abhängig von der Anwendung der Erfindung geändert werden. Im besonderen muß auch vorausgesetzt werden, daß die Kollektor-Basis-Strecke nicht auf einen lawinenartig ansteigenden Ladestrom gebracht wird, d.h. daß der Stromverstärkungs-

faktor des verwendeten Transistors unter Eins bleibt. Das Zusammenwirken eines negativen Widerslandes und eines induktiven Blindwiderstandes hinter den Punkten F—E in dem Schaltkreis nach der Erfindung mit der dynamischen Kapazität zwischen dem Emitter

und der Basis, unterstützt durch einen recht kleinen Kondensate C zwischen den Punkten F-E, bildet einen Schwingungserzeuger. Demzufolge wird unter diesen Bedingungen, wie schon dargelegt, der Kondensator C über den Widerstand Re aufgeladen und durch die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T entladen, und die an der Basis des Transistors infolge der Kapazität C und der Induktivität L auftretenden Schwingungen werden auf den Emitter mittels der Diode D zurückgekoppelt. Die positive Rückkopplungs-Funktion der Diode D bewirkt die Stromzunahme zum Emitter und folglich zum Kollektor, so daß der Wert der direkten Ausgangsspannung Vu an dem Widerstand Ru recht hoch ist. Bei den noch später

angegebenen Werten für die Bauteile beträgt die Spannung Vu im Auszustand der Nichtcrfassung der Induktivität L ungefähr 1.2 Volt Gleichspannung. An dein Widerstand Ru tritt ein kontinuierliches Signal auf, weil der Kondensator Cu die periodischen Signale glättet. Darüber hinaus hat der Kondensator Cu die Funktion, die hochfrequenten Störungen zu beseitigen, die dann entstehen können, wenn eine Anzahl von Umschaltern in der Art nach der Erfindung dicht aneinander angeordnet sind.

Sobald eine Änderung im Erfassungszustand eintritt, das ist der Fall, wenn die Induktivität L mit einem beweglichen Kern magnetisch gekoppelt ist, fehlen die zur sicheren Selbstaufrechterhaltung des Lade- und Entladevorganges des Kondensators C notwendigen Phasenbedingungen. Als Folge der Unwirksamkeit des Kondensators C tritt eine Verminderung im Stromverbrauch des Transistors T ein, welche Verminderung am Ausgang sich in einem Absinken des kontinuierlichen Pegels der Spannung Vu auswirkt. Unter diesen Bedingungen ist es die Funktion der Zener-Diode Z, den Pegel von Vu festzulegen.

Im nichtoszillierenden Zustand hat die Ausgangsspannung Vu einen Wert in der Nähe von (V — Vz)

-- " _ (worin Vz die Zener-Spannung der Zener-Diode ist), d. h., für die Werte der nachstehend genannten Bauteile beträgt die Spannung Vu ungefähr 3 Volt Gleichspannung. Wegen ihrer besonderen Kennlinie bewirkt die Zener-Diode Z, noch einen hohen Wert des Basisstromes des Transistors T zustande zu

V-Vz bringen, der einen Betrag von angenähert -^- ■-

erreicht.

Dieser hohe Wert des Basisstromes bewirkt die Wiederherstellung der Schwingungen, sobald die Güte der die Induktivität L bildende Spule auf ihren Anfangswert zurückkehrt, wenn das bewegliche Element von der Spule wegbewegt wird. Während des Überganges vom Ein-Zustand der Erregung durch das bewegliche Element in den Aus-Zustand der Nichterrcgung, und umgekehrt, hat die Diode D, die über die Kapazität Cb periodisch eine positive Rückkopplung sicherstellt, die Funktion, über die durchgeführte positive Rückkopplung eine unmittelbare Antwort auf die äußeren Veränderungen sicherzustellen, d. h. ein sofortiges Halten oder Löschen der Schwingungen in der vom Kondensator C und der Induktivität L gebildeten Schaltung sicherzustellen, deren Funktion sich in einer ansteigenden oder fallenden Kante des kontinuierlichen Ausgangssignals von weniger als 100 Nanosekunden im Fall der Verwendung eines Transistors T für sehr hohe Frequenzen offenbart.

In einer Oszillatorschaltung mit einem dynamischen negativen Widerstand führt nämlich die Einfügung der Diode D zu einer Festlegung der Schwingungen auf eine bestimmte Frequenz. Da der Aus-Zustand der Erregung und der Ein-Zustand der Erregung bei Wechselstrombetrieb gekennzeichnet sind durch das Vorhandensein bzw. Fehlen von Schwingungen, beeinflussen die dem Kondensator C parallelgeschaltete Diode D und die Kapazität Cb in diesem Oszillator das kontinuierliche Niveau der Basisvorspannung und bewirken so das Ein- und Ausschalten des Transistors durch die Schwingungen.

Es ist aus der Beschreibung der Arbeitsweise des Umschalters nach F i g. 1 ersichtlich, daß die Werte der Üjchaltungsbauteile innerhalb eines genau festgelegten Bereiches liegen müssen. Im besonderen kann der Kondensator C nicht extrem klein sein, da andernfalls die Änderungen der Schwingfrequenz geringfügig werden, und auch nicht sehr groß sein, da andernfalls die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der Kapazität C zunimmt und die Schaltung nicht mehr in der Lage ist, mit hoher Frequenz aufeinanderfolgenden Steuersignalen zu folgen. Die Zeitkonstante der Aufladung der Kapazität C wird also bestimmt durch den Widerstand Re, der dazu dient, den Emitter dauernd zu speisen. Der Widerstand Re darf nicht zu klein sein, weil in diesem Fall der Transistor T nicht unter den richtigen Einspeisebedingungen steht, und darf nicht zu groß sein, weil die Zeitkonstante der Aufladung des Kondensators C zunimmt, so daß die Vorrichtung nicht langer in der Lage ist, den Steuersignalen bei hoher Folgefrequenz zu folgen.

Darüber hinaus offenbart sich der Einfluß des Ausgangswiderstandes Ru in dem Wert, der angenommen wird durch die Gleichspannung sowohl im Ein-Zustand als auch im Aus-Zustand, und des weiteren hat der Widerstand Ru die Funktion, die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T mit Vorspannung zu versorgen. Deshalb muß der Widerstand Ru ebenfalls in einem bestimmten Wertbereich liegen. Tatsächlich werden oberhalb eines gewissen Grenzwertes, der vom Typ des Transistors abhängt, die Basis-Kollektor-Strecke und die Zener-Diode Z nicht korrekt mit Vorspannung versorgt, und als Folge hiervon tritt keine beliebige Veränderung im Pegel der Ausgangsspannung während des Wechsels vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand, und umgekehrt, mehr ein. Es gibt deshalb einen optimalen Wert für den Widerstand Ru, falls alle der anderen Schaltungselemente und auch die Einspeisespannung auf festem Wert gehalten werden, so daß eine maximale Änderung im Spannungspegel beim Wechsel vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand, und umgekehrt, auftritt. Es ist offensichtlich, daß der Spannungspegel sowohl im Ein-Zustand als auch im Aus-Zustand um so höher ist, je größer der Widerstand Ru ist.

Der niedrige Wert von 7?« stellt eine niedrige Ausgangsimpedanz sicher, die nur 100 Ohm sein kann und die jedenfalls unter 1000 Ohm bleibt, so daß die Vorrichtung unmittelbar in elektronischen Schaltungen eingefügt sein kann mit der Fähigkeit, z. B. logische Funktionen auszuführen.

Die beiden Pegel von -f 12 und f 3 Volt, die voneinander, wie dargelegt, durch eine steile Kante odei Flanke getrennt sind, können deshalb unmittelbar als logische Pegel oder Stufen ohne die Notwendigkeil einer Gleichrichtung benutzt werden. Es ist möglich den 3-Volt-Pegel, der das logische Nullsignal aus drücken soll, auf 0 Volt zu bringen, indem in einfach ster Weise eine andere Zener-Diode K in Reihe mit de Ausgangsklemme M, wie in der Zeichnung gestri ehe dargestellt, einzufügen ist. Das gleiche Ergebnis win bei der Verwendung einer getrennten Speisespannunj erhalten.

Darüber hinaus kann die sich aus der vorliegende! Erfindung ergebende Vorrichtung sehr wirksam an gewendet werden, um den Ausschaltkontakt in noi malen elektrischen Zündschaltungen für Fahrzeug antriebsmotoren zu ersetzen, ohne daß irgendein

Änderung oder ein Hinzufügen von weiteren Bauteile vorzunehmen ist, wobei diese vorgeschlagene V01 richtung eine größere Zuverlässigkeit im Betrieb: verhalten und eine längere Lebensdauer hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Schalter in elektronischen Schaltungen in geeigneter Patentansprüche: integrierter Form nicht zu verwenden sind. Weiter besteht nur ein unzureichendes Auflösungsvermögen

1. Elektronischer Annäherungsschalter mit einem in bezug auf Änderungen im Signal. Durch ihre allge-Oszillator, der durch Annäherung bzw. Entfernung 5 mein mechanische Steuerung sind diese Schalter nicht eines ferromagnetische Gegenstandes an die bzw. in der Lage, auf Steuersignale hoher Frequenz anzuvon der Induktivität des Schwingkreises ein- bzw. sprechen.

ausgeschaltet wird und dadurch einen Schaltvor- Um am Ausgang des bekannten elektronischen gang auslöst, dadurch gekennzeichnet, Schalters zwei durch einen bestimmten Spannunssdaß der Oszillator einen Transistor (7") enthält, an io sprung sich unterscheidende Signalpegel zu erhalten, dessen Emitter und Basis eine Reihenschaltung aus ist es erforderlich, mehr oder weniger komplexe Dioeinem Kondensator (C) und einer veränderbaren denschaltungen vorzusehen, die demzufolge einen zii-Induktivität (L) angeschlossen ist, daß eine Rück- sf tzlichen Aufwand an Bauteilen und eine Verzögekopplungseinrichtung (D, Cb) vorhanden ist. die ruwg des Umschaltens zur Folge haben. Darüber hineine Diode (D), die dem Kondensator (C) parallel 15 aus wirkt in dem bekannten kontaktlosen Schalter, der geschaltet und so gepolt ist, daß positive Signale einen steuerbaren Schwingungserzeuger verwendet, auf den Emitter des Transistors rückgekoppelt um zwei gut sich unterscheidende Pegel aes Auswerden, und ^p;ne Kapazität (Cb), die zwischen gangssignals zu erhalten, die Änderung des Gütedem Verbindungspunkt (£) von Induktivität (L) faktors der Schaltung nicht unmittelbar auf die Än- und Kondensator (C) und dem Verbindungspunkt 20 derung des Pegels des Ausgangssignals selbst ein, so zwischen. Betriebsspannungsquelle (V) und Emit- daß aus diesem Grunde bei diesem Schalter nur eine terwiderstand (Re) liegt, enthält und die zur Rück- geringe Schaltschnelligkeit und damit Leistungsfähigkopplung der an dem Verbindungspunkt (E) vor- keit zu beobachten ist.

handenen Schwingungen auf den Emitter des Tran- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

sistors und zur gleichzeitigen Gleichrichtung dieser 25 elektronischen Annäherungsschalter mit einem Oszilla-

Schwingungen dient, derart, daß eine Gleichvor- tor zu schaffen, der durch hohe Schaltschnelligkeit und

spannung zwischen Emitter und Basis des Tran- damit Leistungsfähigkeit auch bei hohen Frequenzen

sistors (Γ) erzeugt wird, die so bemessen ist, daß und trotzdem in seinem Aufbau einfach und unkompli-

ein einmal eingenommener Schwingungszustand ziert ist.

des Oszillators aufrechterhalten hleibt und die Fre- 30 Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

quenz der Schwingungen bei geringfügiger Abwei- daß der Oszillator einen Transistor enthält, an dessen

chung der Induktivität (L) von eir?m vorbestimm- Emitter und Basis eine Reihenschaltung aus einem

ten Wert konstant gehalten wird. Kondensator und einer veränderbaren Induktivität

2. Elektronischer Annäherungsschalter nach An- angeschlossen ist, daß eine Rückkopplungseinrichtung spruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen dem 35 vorhanden ist, die eine Diode, die dem Kondensator Kollektor des Transistors (T) und dem Verbin- parallel geschaltet und so gepolt ist, daß positive Sidungspunkt (inzwischen Induktivität (L) und Kon- gnale auf den Emitter des Transfers rückgekoppelt densator (C) angeschlossene Zenerdiode (Z) zur werden, und eine Kapazität, die zwischen dem Verbin-Regelung der Kollektor-Basis-Spannung bei nicht dungspunkt von Induktivität und Kondensator und schwingendem Oszillator. 40 dem Verbindungspunkt zwischen Betriebsspannungsquelle und Emitterwiderstand liegt, enthält und die

zur Rückkopplung der an dem Verbindungspunkt vorhandenen Schwingungen auf den Emitter des Transi-

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Annähe- stors und zur gleichzeitigen Gleichrichtung dieser rungsschalter mit einem Oszillator, der durch An- 45 Schwingungen dient, derart, daß eine Gleichvorspannäherung bzw. Entfernung eines ferromagnetische!! nung zwischen Emitter und Basis des Transistors erGegenstandes an die bzw. von der Induktivität des zeugt wird, die so bemessen ist, daß ein einmal einge-Schwingkreises ein- bzw. ausgeschaltet wird und da- nommener Schwingungszustand des Oszillators aufdiirch einen Schaltvorgang auslöst. rechterhalten bleibt und die Frequenz der Schwineun-

Bei einem bekannten elektronischen Schalter wird 50 gen bei geringfügiger Abweichung der Induktivität von eine auf einen hufeisenförmigen Magnetkern auf- einem vorbestimmten Wert konstant gehalten wird, gebrachte Transformatorwicklung, deren Primärseite Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vorzugsweise aus dem Netz gespeist wird, mit ihrer insbesondere darin, daß bei dem neuen Oszillator zwi-Sekundärseite dazu verwendet, die durch Ändern des sehen Kollektor und Basis keine Rückkopplung erMagnetflusses infolge der Annäherung eines Metall- 55 forderlich ist, sondern davon Gebrauch gemacht wird, teilex induzierten Spannungsänderungen an bekannte daß sich zwischen dem Basisanschluß und dem Emitterelektronische Verstärkereinheiten anzulegen, um über anschluß ein negativer Widerstand erzeugen läßt, wenn eine aus Gleichrichtern und Widerstand bestehende der Basis eine veränderbare Induktivität vorgeschaltet Schaltung Röhren oder Transistoren zu steuern. wird. Die komplexe Impedanz der Induktivität kann

Bei einem anderen bekannten kontaktlosen Schalter 60 so durch Änderung der Stellung eines beweglichen ferro-

wird ein Transformator in Verbindung mit einem magnetischen Elements den Oszillator in seinem

Sperroszillator mit Transistor parallel zum Verbrau- Schwingungszustand beeinflussen, so daß der Oszilla-

cher geschaltet, wobei durch mechanische Änderung tor von einem oszillierenden in einen nichtoszillieren-

des Luftspaltes der Transistor gesteuert wird, um so den Zustand, und umgekehrt, geschaltet wird. Weiter

Schaltvorgänge auszulösen. 65 ist die einfache und unkomplizierte Ausführungsform

Die bekannten Schalter enthalten den entscheiden- des Schalters hervorzuheben, der sich durch hohe

den Nachteil, daß ein umständlicher Aufbau durch die Schaltgeschwindigkeit und damit eine zuverlässige

verwendeten Transformatoren gegeben ist, so daß diese Arbeitsweise auch bei hohen Frequenzen auszeichnet.