DE1812652C3 - Elektronischer Annäherungsschalter - Google Patents

Description

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

Fig. i ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters und

F i g. 2a, 2b, 2c drei erfindungsgemäße Ausführungen der veränderbaren Induktivität.

Der Schaltkreis nach F i g. \ enthält einen einzigen Transistor T, der mit einer einzigen Spannung V ge- ίο speist wird, deren Wert innerhalb der Grenzen der zulässigen Betriebswerte des verwendeten Transistors T geändert werdsn kann und beispielsweise auf einen Absolutwert von 20 Volt festgesetzt sein soll.

Die Spannung V speist den Emitter des Transistors T, der sowohl vom pnp-Typ (wie in der Zeichnung) als vom npn-Typ beliebigen Auibaus 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 Kontlensator 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 as bilden einen Oszillator. Die veränderbare Induktivität kann jegliche Form, Größe und bauliche Gestaltung entsprechend den Erfordernissen ihrer Anwendung aufweisen. Es kann ganz allgemein gesagt werden, daß die Änderung der Induktivität gemäß der baulichen 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 Fntfernungen nachzuweisen. Das ferromagnetische Material kann aus einem Stück bestehen oder die Form eines elektroplattierten Überzuges oder einer 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 ferromagixtischem Material eingeführt werden karm, der somit eine Erhöhung des Induktivitätswertes bewirkt, während die Zurücknahme des Steges den ursprünglichen Induktivitütswert 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 aus 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 L im Zustand der Nichterfassung (z. B. wenn des ferromagnetische Element von der Induktivität entfernt ist) auftretenden Schwingungen mit einem Kondensator Cb über eine Diode O₁ die in der angegebenen Richtung gepolt ist, auf den Emitter des Transistors rzuröckgekoppelt. Die normalerweise zwischen dem Punkt E und dem Kollektor des Transistors T eingeschaltete Last wird hier von einer Zener-Diode Z gebildet, ah dsn Gleichstrombetrieb der Schaltung besser stabilisiert. Das Ausgangssignal Vu wird an einem Kollektor-Ausgangswiderstand am abgenommen, der die Funktion hat, die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T für einen vorgegebenen Wert des Emitter-Vorwiderstandes Re mit einer Vorspannung zu versorgen, während ein als ein Integrator funktionierender Kondensator Cw die Ausgangsschwingungen glättet.

Die Arbeits- oder Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. I ist wie folgt: In 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 veisv-hiedensten Bauarten ausgeführt sein kann, nicht magnetisch mit dem beweglichen Teil gekoppelt ist, das die Umschaltung besorgt. Um Schwingungen am Emitter des Transistors T ?-.i 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-E ergibt, 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 bestimmten 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 gleicher Weise von den genannten Kennlinien des verwendeten Transistors abhängt. Diese beiden Bedingungen können mit einem beliebigen Transisto^r erreicht werden, indem der Wert der Induktivität L, wie z. B. von einigen wenigen Tausenden eines μΗ bis 711 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 Ladestrum gebracht wird, d.h. dall der Stromverstärkungsfaktor des verwendeten Transistors unter Eins bleibt.

Das Zusammenwirken eines negativen Widerstandes 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 durcw einen recht kleinen Kondensator C zwischen den Punkten F-E, bildet einen Schwingungserzeuger. Demzufolge wird unter diesen Bedingungen, wie schon dargelegt, der Ko-idensator 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 Rückkopp-Uings-Fiinktion 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

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angegebenen Werten für die Bauteile beträgt die Span- gelegten Bereiches liegen müssen. Im besonderen kann nung Vu im Auszustand der Nichterfassung der In- der Kondensator C nicht extrem klein sein, du andernduktivitätL ungefähr 12VoIt Gleichspannung. An falls die Änderungen der Schwingfrequenz geringfügig dem Widerstand Ru tritt ein kontinuierliches Signal werden, und auch nicht sehr groß sein, da andernfalls auf, weil der Kondensator Cn die periodischen Signale 5 die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der Kapazität C glättet. Darüber hinaus hat der Kondensator Cu die zunimmt und die Schaltung nicht mehr in der Lage ist. Funktion, die hochfrequenten Störungen zu beseitigen, mit hoher Frequenz aufeinanderfolgenden Steucrdie dann entstehen können, wenn eine Anzahl von Signalen zu folgen. Die Zeitkonstante der Aufladung Umschaltern in der Art nach der Erfindung dicht an- der Kapazität C wird also bestimmt durch den Widereinander angeordnet sind. to stand Re, der dazu dient, den Emitter dauernd zu spci-

Sobald eine Änderung im Erfassungszustand ein- sen. Der Widerstand Re darf nicht zu klein sein, weil tritt, das ist der Fall, wenn die Induktivität L mit in diesem Fall der Transistor T nicht unter den richtieinem beweglichen Kern magnetisch gekoppelt ist, gen Einspeisebedingungen steht, und dairf nicht zu fehlen die zur sicheren Selbstaufrechterhaltung des groß sein, weil die Zeitkonstante der Aufladung des Lade- und Entladevorganges des Kondensators C 15 Kondensators C zunimmt, so daß die Vorrichtung notwendigen Phasenbedingungen. Als Folge der Un- nicht länger in der Lage ist, den Steuersignalen bei Wirksamkeit des Kondensators C tritt eine Verminde- hoher Folgefrequenz zu folgen,
rung im Stromverbrauch des Transistors Γ ein, welche Darüber hinaus offenbart sich der EinfliuQ des Aus-Verminderung am Ausgang sich in einem Absinken gangswiderstandes Ru in dem Wert, der angenommen des kontinuierlichen Pegels der Spannung Vu aus- ao wird durch die Gleichspannung sowohl im Ein-Zuwirkt. Unter diesen Bedingungen ist es die Funktion stand als auch im Aus-Zustand, und des weiteren hat der Zener-Diode Z, den Pegel von Vu festzulegen. der Widerstand Ru die Funktion, die Kollektor-Basis-

Im nichtoszillierenden Zustand hat die Ausgangs- Strecke des Transistors Γ mit Vorspannung zu verspannung Vu einen Wert in der Nähe von (V - - Vz) sorgen. Deshalb muß der Widerstand Ru ebenfalls in

Ru ...,,.-, _ ,-, 25 einem bestimmten Wertbereich ließen. Tatsächlich

Rc , Ru (^{worm Vz die} Zener-Spannung der Zener- _{wer(kn obcrha},_{b dnes gewissen Gren}*_{werlcSi der vom}

Diode ist), d. h., für die Werte der nachstehend ge- Typ des Transistors abhängt, die Basis-Kollektor-

nannten Bauteile beträgt die Spannung Vu ungefähr Strecke und die Zener-Diode Z nicht korrekt mit Vor-

3 Volt Gleichspannung. Wegen ihrer besonderen Kenn- spannung versorgt, und als Folge hiervon tritt keine

linie bewirkt die Zenei-Diode Z, noch einen hohen 30 beliebige Veränderung im Pegel der Ausgangsspannung

Wert des Basisstromes des Transistors T zustande zu während des Wechsels vom Ein-ZusHand in den Aus-

, - , . „ _, ν - Vz Zustand,
bringen, der einen Betrag von angenähert _R

erreicht. alle der anderen Schaltungselemenlle und auch die Dieser hohe Wert des Basisstromes bewirkt die 35 Einspeisespannung auf festem Wert gehalten werden. Wiederherstellung der Schwingungen, sobald die Güte so daß eine maximale Änderung im Spannungspegel der die Induktivität L bildende Spule auf ihren An- beim Wechsel vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand, fangswert zurückkehrt, wenn das bewegliche Element und umgekehrt, auftritt. Es ist offensichtlich, daß der von der Spule wegbewegt wird. Während des Über- Spannungspegel sowohl im Ein-Zustand als auch im ganges vom Ein-Zustand der Erregung durch das be- 40 Aus-Zustand um so höher ist, je größer der Widerwegliche Element in den Aus-Zustand der Nicht- stand Ru ist.

erregung, und umgekehrt, hat die Diode D, die über Der niedrige Wert von Ru stellt eine niedrige Ausdie Kapazität Cb periodisch eine positive Rückkopp- gangsimpedanz sicher, die nur 100 Ohm sein kann und lung sicherstellt, die Funktion, über die durchgeführte die jedenfalls unter 1000 Ohm bleibli, so daß die Vorpositive Rückkopplung eine unmittelbare Antwort 45 richtung unmittelbar in elektronischen Schaltungen auf die äußeren Veränderungen sicherzustellen, d. h. eingefügt sein kann -mit der Fähigkeit, z. B. logische ein sofortiges Halten oder Löschen der Schwingungen Funktionen auszuführen.

hl der vom Kondensator C und der Induktivität L ge- Die beiden Pegel von +12 und 4-3 Volt, die vonbildeten Schaltung sicherzustellen, deren Funktion sich einander, wie dargelegt, durch eine steile Kante oder in einer ansteigenden oder fallenden Kante des konti- so Flanke getrennt sind, können deshalb unmittelbar als nuierlichen Ausgangssignals von weniger als 100 Nano- logische Pegel oder Stufen ohne die Notwendigkeit Sekunden im Fall der Verwendung eines Transistors T einer Gleichrichtung benutzt werden. Es ist möglich, für sehr hohe Frequenzen offenbart. den 3-Volt-Pegel, der das logische Mullsignal aus-Tn einer Oszillatorschaltung mit einem dynamischen drücken soll, auf 0 Volt zu bringen, indem in einfachnegativen Widerstand führt nämlich die Einfügung der 55 ster Weise eine andere Zener-Diode K in Reihe mit der Diode D zu einer Festlegung der Schwingungen auf Ausgangsklemme Af, wie in der Zeichnung gestri chel eine bestimmte Frequenz. Da der Aus-Zustand der dargestellt, einzufügen ist Das gleiche Ergebnis wird Erregung und der Ein-Zustand der Erregung bei bei der Verwendung einer getrennten Speisespannung Wechselstrombetrieb gekennzeichnet sind durch das erhalten.

Vorhandensein bzw. Fehlen von Schwingungen, be- 60 Darüber hinaus kann die sich aas der vorliegenden einflössen die dem Kondensator C parallelgeschaltete Erfindung ergebende Vorrichtung sehr wirksam anDiode D und die Kapazität Cb in diesem Oszillator gewendet werden, um den Ausschaltkontakt in nordas kontinuierliche Niveau der Basisvorspannung und malen elektrischen Zündschaltung für Fahrzeugbewirken so das Ein- und Ausschalten des Transistors antriebsmotoren zu ersetzen, ohne daß irgendeine durch die Schwingungen. 65 Änderung oder ein Hinzufügen von weiteren Bauteilen Es ist aus der Beschreibung der Arbeitsweise des vorzunehmen ist, wobei diese vorgeschlagene Vor-Umschatters nach F i g. 1 ersichtlich, daß die Werte richtung eine größere Zuverlässigkeit im Betriebsder Schaltungsbauteile innerhalb eines genau fest· verhalten und eine längere Lebensdauer hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

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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-OszHtetor, der durch Annäherung bzw. Entfernung 5 mein mechanische Steuerung sind diese Schalter nicht eines ferromagnetischen 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 Spannungsdaß der Oszillator einen Transistor (T) enthält, an io sprung sich unterscheidende Signalpegel zu «halten, 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 zuInduktivität (L) angeschlossen ist, daß eine Rück- sätzlichen Aufwand an Bauteilen und eine Verzögekopplungseinrichtung (D, Cb) vorhanden ist, die rung des Umschaltens zur Folge haben. Darüber hineine Diode (D), die dem Kondensator (C) parallel *s am 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 des Auswerden, und eine Kapazität (Cb), die zwischen gangssignals zu erhalten, die Änderung des Gütedem Verbindungspunkt (E) von Induktivität (L) faktors der Schaltung nicht unmittelba. au' CIc Än- und Kondensator (C) und dem Verbindungspunkt 20 derung des Pegels des Ausgangssignals selbst ein, so zwischen Betriebsjpannungsquelle (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 35 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 (7") erzeugt wird, die so bemessen ist, daß und trotzdem in seinem Aufbau einfach und unkompliein einmal eingenommener Schwingungszustand ziert ist.

des Oszillators aufrechterhalten bleibt und die Fre- 3» Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, quenz der Schwingungen bei geringfügiger Abwei- daß der Oszillator einen Transistor enthält, an dessen chung der Induktivität (Z.) von ein°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 (E)zwischen Induktivität (Z.) und Kon- gnale auf den Emitter des Transistors 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 schwindendem Oszillator. 40 dem Verbindungspunkt zwischen Betriebsspannungs-

quclle und Emitterwiderstand liegt, enthält und die

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

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Annähe- stors und zur gleichzeitigen Gleichrichtung dieser riingsschalter mit einem Oszillator, der duich An- 45 Schwingungen dient, derart, daß eine Gleichvorspannäherung bzw. Entfernung eines ferromagnetischen 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 aufdurch einen Schaltvorgang auslöst. rechterhalten bleibt und die Frequenz der Schwingun-

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 cr-Magnetfhisses infolge der Annäherung eines Metall- 55 fonkrlich ist, sondern davon Gebrauch gemacht wird, t»'ilcx induzierten Spannlingsänderungen an bekannte daß sich zwischen dem Basisanschh.ß und dem Emitteieicktronischc Verstärkereinheiten anzulegen, um über anschluß ein negativer Widerstand erzeugen läßt, wenn eine aus Gleichrichtern und Widerstand bestehende der Basis eine veränderbare Fnduktivitäl vorgeschaltet Schaltung Röhren oder Transistoren zu steuern. wird. Die komplexe Impedanz der Induktivität kann

Bei einem anderen bekannten kontakt'oscn Schalter 60 so durch Änderung derStellungeinesbeweglichen ferrowird ein Transformator in Verbindung mit einem magnetischen Elements den Oszillator in seinem Spcrroszillator mit Transistor parallel zum Verbrau- Schwingungszustand beeinflussen, so daß der Oszillachcr geschaltet, wobei durch mechanische Änderung tor von einem oszillierenden in einen nichtoszillierendes Luftspaltes der Transistor gesteuert wird, um so den Zustand, und umgekehrt, geschaltet wird. Weiter Schaltvorgäiige 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 Schallgeschwindigkeit und damit eine zuverlässige verwendeten Transformatoren gegeben ist, so daß diese Arbeitsweise auch bei hohen Frequenzen auszeichnet.