DE19623969A1 - Näherungsschalter - Google Patents
NäherungsschalterInfo
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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.
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