DE19623969A1 - Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter, insbe­ sondere einen kapazitiven Näherungsschalter gemäß Gat­ tungsbegriff des Anspruches 1.

Kapazitive Näherungsschalter sind im Stand der Technik bekannt. So zeigt die Offenlegungsschrift 44 08 468 einen kapazitiven Näherungsschalter, bei dem der Oszil­ lator ein emitter-gekoppelter Multivibrator ist. Einen kapazitiven Näherungsschalter zeigt auch die 38 15 698. Dort gibt die Fig. 1 den typischen Aufbau eines gat­ tungsgemäßen Näherungsschalters wieder. Eine Sensor­ elektrode wird mit einem Wechselspannungssignal beauf­ schlagt, das von einem Oszillator kommt. Das Ausgangs­ signal des Oszillators wird in einen Demodulator ein­ gekoppelt. Diesem schließt sich ein Schwellwertschal­ ter (Trigger) an. Ein Verstärker ist an dem Ausgang angeschlossen. Derartige kapazitive Näherungsschalter sind schon seit langem bekannt. So zeigt die OS 17 62 448 auch schon das grundlegende Prinzip dieser Schalter. Die Sensorelektrode bildet zusammen mit dem Erdpotential eine Kapazität. Wird ein geerdeter Gegen­ stand oder ein dielektrischer Gegenstand in den Bereich der flächenartig ausgebildeten Sensorelektrode ge­ bracht, so ändert sich die Kapazität an der Sensorelek­ tronik mit der Folge, daß sich das Schwingungsverhalten und insbesondere die Amplitude des Oszillators ändert. Die Elektrode ist bevorzugt so in den Oszillator ge­ schaltet, daß sich bei einer vergrößernden Kapazität die Schwingungsamplitude erhöht. Der - im wesentlichen die hochfrequente Wechselspannung gleichrichtende - Demodulator gibt sein Ausgangssignal an einen Schwell­ wertschalter. Überschreitet das Ausgangssignal einen vorgewählten Schwellwert, so wechselt der Ausgang sein Potential oder wird leitend.

Aufgabe gattungsgemäßer Näherungsschalter ist das Um­ schalten seines Ausganges, wenn ein Auslöser in einen exakt definierten Schaltabstand tritt. Der Eintritt des Auslösers in den definierten Schaltabstand soll mit dem Erreichen der Oszillator-Amplitude des Schwellwer­ tes übereinstimmen. Bei den bekannten Näherungsschal­ tern bereitet die Temperaturstabilität des Schaltabstan­ des Probleme, denen dadurch entgegengewirkt wird, daß aufwendige und teure Temperaturkompensationen in die Schaltung eingebracht werden.

Bei gattungsgemäßen Näherungsschaltern erfolgt die Einstellung des Schaltabstandes durch Eingriff in die Parameter des Multivibrators. Insbesondere ist es bekannt, die die Schwingungsamplitude bzw. die Schwing­ frequenz beeinflussenden Widerstände als Potentiometer auszubilden. Solange diese Potentiometer in unmittelba­ rer Nachbarschaft zu den übrigen Bauteilen des Oszilla­ tors angeordnet sind, ist diese Lösung praktikabel. Sobald das Potentiometer aber vom eigentlichen Oszilla­ tor entfernt oder sogar außerhalb des Gehäuses angeord­ net werden soll, muß wegen der am Potentiometer anlie­ genden hochfrequenten Wechselspannung und der Antennen­ wirkung der Anschlußleitung eine Abschirmung vorgesehen sein. Auch dann ist nicht gewährleistet, daß es auf­ grund von Störimpulsen zu keinen Fehlschaltungen kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Näherungsschalter in herstellungstechnisch einfacher Weise gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden. Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Zufolge der erfindungsgemäßen Weiterbildung werden die eigentlichen Oszillator-Bauteile nicht zur Einstellung der Empfindlichkeit beigezogen. Der Schaltabstand wird über eine oszillator-externe Größe eingestellt, nämlich über die Versorgungsspannung des Oszillators. Diese Versorgungsspannung kann bevorzugt eine Gleichspannung sein, so daß die beim Stand der Technik auftretenden Probleme bei einer Fernanordnung des Potentiometers nicht mehr auftreten. Ein überraschender Vorteil, der sich durch diese grundsätzliche Neuerung bietet, ist, daß das Potentiometer in ein Widerstandsnetzwerk einge­ baut werden kann, so daß die Schaltabstandskurve durch das das Potentiometer beinhaltende Widerstandsnetzwerk nachbildbar ist, so daß eine In-etwa-Linearität/Propor­ tionalität zwischen Potentiometer-Verstellung und Ände­ rung des Schaltabstandes erzielbar ist. Zur Erzielung einer möglichst temperaturkompensierten Schaltung wird die Oszillator-Versorgungsspannung auf der Basis eines temperaturstabilisierten Referenz-Spannungswertes einge­ stellt. Die Oszillator-Versorgungsspannung und der Schaltabstand sind deshalb temperaturstabil. Das Refe­ renzspannungssignal ist unabhängig von der Versorgungs­ spannung für den Näherungsschalter. Schwankungen des Schaltabstandes werden dadurch vermieden. Zur genauen Einstellung der Oszillator-Versorgungsspannung dient ein Widerstandsnetzwerk an einem der beiden Eingänge eines Operationsverstärkers, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers eine temperaturstabilisierte Versorgungsspannung des Oszillators einstellbar ist. Das Potentiometer zum Einstellen der Versorgungsspan­ nung ist bevorzugt gegen Masse geschaltet. Hierdurch kann das Potentiometer schaltungstechnisch einfach nach außen gelegt werden. Es ist nur eine zusätzliche Lei­ tung notwendig. Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, daß die Oszillator-Versorgungsspannung durch einen Digital/Analog-Wandler einstellbar ist. Hierdurch läßt sich mit einfachen Mitteln der Schaltabstand fern­ einstellen. Auch wenn die Ferneinstellung über eine Referenzspannung, also bspw. durch ein nach außen verla­ gertes Potentiometer erfolgt, ist die Beschaltung ein­ fach. Eingangsgröße für den Schaltabstand ist ein Gleichspannungssignal, aus welchem über den Operati­ onsverstärker die Versorgungsspannung des Oszillators gebildet wird. Dieses Gleichspannungssignal kann mit einfachen Siebmitteln von Störimpulsen geglättet wer­ den. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß sich die Oszillator-Versorgungsspannung zeit­ verzögert und in Gegenkopplung zum Oszillator-Ausgangs­ signal ändert. Steigt bspw. das Ausgangssignal an bis über den Schwellwert, so gibt der Ausgang ein Signal ab. Die Gegenkopplung sorgt nun dafür, daß die Oszilla­ tor-Versorgungsspannung mit einer gewissen, insbesonde­ re vorher bestimmbaren Geschwindigkeit abnimmt, so daß das Oszillatorsignal bei unveränderter Sensorkapazität unter den Schwellwert abnimmt. Der Näherungsschalter zeigt dann ein differentielles Verhalten. Er ist als berührungsloser Taster, Zähler oder dergleichen verwendbar, da nur Änderungen ein Schaltsignal auslö­ sen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Oszil­ lator-Ausgangssignal über ein RC-Glied an die Versor­ gungsspannungsquelle für den Oszillator zurückgelei­ tet. Als Vorteil der Erfindung wird der von der Be­ triebsspannung unabhängige Temperaturgang angesehen. Vorteilhaft ist auch, daß die Versorgungsspannung des gesamten Näherungsschalters keinen Einfluß auf den Schaltabstand hat. Weiter ist die Anfälligkeit gegen­ über Störungen über die Potentiometer-Anschlußleitung minimiert, da das vom Potentiometer bereitgestellte Gleichspannungssignal leicht ausgefiltert werden kann. Störungen werden auch gar nicht erst in den Oszillator eingekoppelt. In einer weiteren Variante der Erfindung kann zur Oszillator-Versorgungsstabilisierung eine einstellbare Referenz-Spannungsquelle dienen in der Art einer einstellbaren Zehner-Diode. Die Versorgungsspan­ nung des Oszillators und die Referenz-Spannungsquelle werden dabei bevorzugt über eine Stromdiode versorgt. In einer weiteren Variante ist vorgesehen, daß die Versorgungsspannung für den Oszillator über einen Step­ up-Wandler aus der Speisespannung des Näherungsschal­ ters gewonnen wird.

In den beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsbei­ spiele der Erfindung im Detail erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Näherungsschalters,

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel eines Näherungsschal­ ters,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Oszillator-Versorgungs- Spannung gegenüber dem Schaltabstand beim Erreichen des Schwellwertes,

Fig. 4 die Versorgungsspannung des Oszillators, wie sie durch das in Fig. 2 dargestellte Wider­ standsnetzwerk erzielbar ist,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 6 die zeitliche Abfolge verschiedener Signale beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5,

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 8 ein Schaltungsbeispiel eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels.

Der Näherungsschalter, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, hat eine Beschaltung, wie sie bspw. aus der Fig. 2 hervorgeht. Im einzelnen besitzt der Näherungsschalter eine elektrisch leitende Sensorfläche S, deren Größe im wesentlichen die Schaltempfindlichkeit des Näherungs­ schalters definiert. Die Sensorfläche S ist umgeben von einer Abschirmung SA. Mittels einer leitenden Verbindung 7 ist die Sensorfläche S mit der Schaltung verbunden und geht dort auf die Basis des Transistors T1. Der Emitter des Transistors T1 ist über den Wider­ stand R3 mit Masse verbunden und über den Kondensator C1 an den Emitter des Transistors T2 gekoppelt. Der Emitter des Transistors T2 ist sowohl mit der Abschir­ mung SA als auch über den Widerstand R4 mit Masse ver­ bunden.

Der Kollektor des Transistors T1 ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden und über den Widerstand R2 mit dem Kollektor des Transistors T2. Am Kollektor des Transistors T2 liegt darüber hinaus die Versorgungsspan­ nung UOB des Oszillators an.

Das Ausgangssignal des als emitter-gekoppelter Multivi­ brator ausgebildeten Oszillators wird am Emitter des Transistors T2 abgegriffen und über den Kondensator C2 in ein IC ausgekoppelt.

Das IC besitzt einen Demodulator 3, in welchen das Oszillatorsignal eingeleitet wird. Das Ausgangssignal des Demodulators 3 wird einem Schwellwertschalter 4 zugeordnet, welcher an einem Verstärker 5 angeschlossen ist, welcher das Ausgangssignal A liefert. Der Verstär­ ker ist durch den Transistor T3 angedeutet. Zusätzlich kann noch ein Ausgang 6 am IC mit einer Leuchtdiode beschaltet sein, welche den Schaltzustand des Näherungs­ schalters anzeigt.

Die Versorgungsspannung UOB des Oszillators ist das Ausgangssignal eines Operationsverstärkers. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist über ein Widerstandsnetzwerk, welches eine Spannungstei­ lerschaltung darstellt, und aus den Widerständen R9, R7, R8 und R11 besteht, an eine temperaturkompensierte Referenzspannung am Pol 3 des ICs angeschlossen. Über das Potentiometer R11 kann die Spannungsteilerschaltung variiert werden, so daß das am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegende Potential einstellbar ist. Das Widerstandsnetzwerk R9, R7, R8, R11 ist so gewählt, daß eine lineare Veränderung der Potentiometerstellung in etwa einer linearen Änderung des Schaltabstandes entspricht. Hierzu ist das Poten­ tiometer R11 mit seinem eignen Pol an Masse angeschlos­ sen. Der Widerstand R8 liegt parallel zum Potentiome­ ter R11. Der Widerstand R7 befindet sich zwischen Potentiometer R11 und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, weicher wiederum über den Widerstand R9 an der Referenzspannung, Pol 3, ange­ schlossen ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist über eine aus dem Widerstand R5 und R6 bestehenden Verstärkerschaltung einerseits mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden und andererseits mit Masse. Über die Widerstände R5 und R6 wird in bekannter Weise die Verstärkung des Operations­ verstärkers festgelegt.

Ein weiterer Widerstand R10, welcher am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und an einem Pol 2 des ICs angeschlossen ist, wirkt zur Erzielung einer Schalthysterese. Das Potential am Pol 2 des ICs ändert sich entsprechend dem Schaltzustand des Ausgangs.

In der Fig. 3 ist ein typischer Verlauf des Schaltab­ standes SR gegenüber der Versorgungsspannung UOB des Oszillators angegeben. Bei einer geringen Versorgungs­ spannung des Oszillators (2 Volt) liegt der Schaltab­ stand bei weniger als 1 mm. Der Schaltabstand läßt sich durch Variation der Versorgungsspannung UOB im Bereich zwischen 2 und 6 Volt im Bereich von nahezu 0 bis 4 mm einstellen.

In Fig. 4 ist rein schematisch die Charakteristik des Widerstandsnetzwerkes R9, R7, R8, R11 dargestellt. Die Versorgungsspannung UOB läßt sich in Abhängigkeit von der Drehstellung des Potentiometers R11 der Empfindlich­ keitskurve gemäß Fig. 3 angleichen, so daß eine Propor­ tionalisierung der Drehpotentiometerstellung zum Schalt­ abstand erzielbar ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal des Oszillators 1 bzw. das Ausgangssignal des Demodulators 3 über ein RC-Glied R12, C3 rückgekoppelt zur Versorgungsspannungs­ quelle 2 für den Oszillator. Die Rückführung des Aus­ gangssignals auf die Versorgungsspannung erfolgt in Gegenkopplung, so daß ein Ansteigen des Ausgangssignals ein Abfallen der Versorgungsspannung UOB zur Folge hat.

Steigt bspw. wie in Fig. 6 dargestellt die Kapazität CS des Sensors S an, so steigt das mit UX bezeichnete Ausgangssignal des Demodulators ebenfalls an bis der Schwellwert erreicht ist. Dann steigt sprungartig das Ausgangssignal auf den Ausgangssignalwert. Mit dem Ansteigen des Ausgangssignales UX sinkt zeitverzögert die Versorgungsspannung UOB bis das Ausgangssignal UX einen Minimalwert erlangt hat. Unterschreitet das Ausgangssignal UX den Schwellwert, so schaltet sprungar­ tig der Trigger 4 das Ausgangssignal ab. Obwohl sich die Kapazität CS des Sensors S nicht geändert hat, hat sich dennoch das Ausgangssignal A wieder zurückge­ setzt. Wird die Sensorkapazität CS durch beispielswei­ se weiteres Annähern eines Auslösers an die Sensorflä­ che S weiter vergrößert, so erfolgt wieder ein differen­ ziertes Ausgangssignal. Diese Variante eignet sich bevorzugt als berührungsloser Taster. Eine Verschmut­ zung der Sensoroberfläche und eine damit einhergehende Kapazitätsveränderung wird so kompensiert.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Versorgungsspannungsquelle 2 für die Versorgungs­ spannung UOB des Oszillators 1 ein Digital/Analog-Wand­ ler 9 vorgeschaltet, welcher von einem Feld-Bus, Compu­ ter oder dergleichen ein digitales Signal erhält, mit welchem ein Versorgungsspannungswert einstellbar ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Potentiometer R11 aus der unmittelbaren Nachbar­ schaft des Oszillators 1 entfernt angeordnet und mit einer Zuleitung 8 an der Versorgungsspannungsquelle 2 angeschlossen. Der nicht dargestellte zweite Anschluß des Potentiometers 11 ist an Masse angeschlossen.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel sieht ferner die Alternative vor, daß das Potentiometer außer­ halb des Gehäuses angeordnet ist. Hierzu ist eine Leitung P vorgesehen, welche mit der Leitung 8 verbun­ den ist. Zwischen der Leitung P und Masse kann dann extern ein Potentiometer geschaltet sein. Auf der Platine 6 sind dann nicht dargestellte Siebglieder vorgesehen, um hochfrequente oder niederfrequente Stör­ signale auf der Leitung P auszufiltern.

Der Näherungsschalter kann auch als induktiver Nähe­ rungsschalter ausgebildet sein. Dann ist die Sensor­ elektrode als Spule ausgestaltet. Beim kapazitiven Näherungsschalter ist die Sensorelektrode bevorzugt als leitende Fläche ausgestaltet.

Bei dem in der Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Spannungsversorgung für den Oszillator über eine einstellbare Referenz-Spannungsquelle D3. Derarti­ ge Referenz-Spannungsquellen liegen als IC vor. Sie wirken wie eine einstellbare Zehner-Diode. Die Einstel­ lung erfolgt über den Widerstand R12 und das Potentiome­ ter R11. Die Stromdiode D2 versorgt den Oszillator und die Referenz-Spannungsquelle D3.

Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/bei gefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (12)

1. Näherungsschalter, insbesondere kapazitiver Nähe­ rungsschalter mit einer Sensorelektrode (S), insbesonde­ re einer leitenden Sensorfläche, und einem die Sensor­ elektrode (S) mit einem Wechselspannungssignal beauf­ schlagenden Oszillator (1), dessen Ausgangssignal demo­ duliert einem Schwellwertschalter (4) zugeführt wird zur Abgabe des Ausgangssignales (A), wobei der Schaltab­ stand (SR) des Näherungsschalters einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltabstand (SR) über die Versorgungsspannung (UOB) des Oszillators (1) ein­ stellbar ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator-Ver­ sorgungsspannung mittels eines Potentiometers (R11) einstellbar ist.

3. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (R11) einem Opera­ tionsverstärker (OP) vorgeschaltet ist und in einer Referenzspannungsteiler-Schaltung sitzt.

4. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsteiler-Schal­ tung ein Widerstandsnetzwerk (R9, R7 R8, R11) ist, dessen Ausgangsspannung als Funktion über den Potentio­ meter-Stellweg der Charakteristik der Oszillator-Be­ triebsspannung (UOB) über dem Schaltabstand (SR) bei Erreichen des Schaltschwellwertes ist.

5. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (R11) gegen Masse geschaltet ist.

6. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (R11) außerhalb des Sensorgehäuses liegt.

7. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator-Versorgungsspannung (UOB) durch einen Digital/Analog-Wandler wählbar ist.

8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Oszillator-Versorgungsspan­ nung (UOB) zeitverzögert und in Gegenkopplung zum Oszil­ lator-Ausgangssignal ändert.

9. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Oszillator-Ausgangssignal über ein RC-Glied an die Betriebsspannungsquelle des Oszilla­ tors zurückgeleitet wird.

10. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektrode (S) von einer Spule ausgebildet ist und der Näherungsschalter ein induktiver Näherungsschalter ist.

11. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung über eine ein­ stellbare Referenz-Spannungsquelle (D3) erfolgt.

12. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator-Spannungsversorgung und der Referenz-Spannungsquelle eine Stromdiode (D2) vorgeschaltet ist.