DE19650793C1

DE19650793C1 - Elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät

Info

Publication number: DE19650793C1
Application number: DE19650793A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Schmitt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: WO1998025346A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches, berüh rungslos arbeitendes Schaltgerät mit einem von außen beein flußbaren Oszillator, der einen aus einer Spule und einem Kondensator zusammengesetzten Schwingkreis umfaßt, wobei die Spule lediglich zwei Anschlüsse aufweist.

Ein gattungsgemäßes Schaltgerät ist aus der DE 36 06 586 C2 bekannt. Hier handelt es sich um einen Annäherungsschalter des Hochfrequenztyps mit einer derart ausgelegten Schwin gungsschaltung, daß die Schwingung mit kleinen Amplituden auch dann weitergeht, wenn sich ein nachzuweisender Gegen stand genähert und das Schwingungsausgangssignal abgenommen hat.

Aus der Druckschrift "Datenbuch 1986 von Valvo, Titel: Hybrid-Schaltungen, Seite 25" ist die Schaltung eines induk tiven Näherungsschalters bekannt, dessen Funktionsprinzip auf der Bedämpfung eines LC-Schwingkreises beruht. Die Spule be findet sich üblicherweise in einem offenen Ferrit-Halbscha lenkern. Im unbedämpften Zustand, d. h. wenn kein Metallteil im Streufeld als aktive Zone vorhanden ist, gilt für die Oszillatorstufe K . V ≧ 1 (K = Rückkopplungsfaktor, V = Ver stärkungsfaktor des Oszillators), so daß der Oszillator schwingt. Erreicht das Betätigungselement den vorgeschrie benen Abstand von der Sensorfläche, so wird durch die Wirbel stromverluste der LC-Schwingkreis bedämpft, d. h. K . V < 1, und die Schwingung reißt ab. Die nachgeschaltete Elektronik wertet diesen Effekt aus und stellt über den Schaltzustand des Schaltausgangs die Information zur Verfügung, ob ein Metallteil vorhanden ist oder nicht.

Die hier in Rede stehenden Oszillatorstufen sind üblicher weise als induktive Dreipunktschaltung (Hartley-Schaltung) oder als kapazitive Dreipunktschaltung (Colpitts-Schaltung) ausgeführt. Letztere Variante kommt bei induktiven Näherungs schaltern kaum zum Einsatz, da zwei Schwingkreiskondensatoren benötigt werden.

Bei der Hartley-Schaltung ist es nötig, einen Teil der Spu lenspannung über eine Anzapfung herauszuführen. Das bedeutet gegenüber einer einfachen Spule mit nur zwei Anschlüssen ei nen höheren fertigungstechnischen Aufwand. Zusätzlich besteht die Gefahr, daß bei einer Spule mit Anzapfung die drei Spulenanschlüsse bei der Montage vertauscht werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektro nisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät der obenge nannten Art derart weiterzuentwickeln, daß eine einfachere Fertigung und gefahrlose Montage ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgerats in Blockstruktur,

Fig. 2 die Schaltung eines im Näherungsschalter gemäß Fig. 1 enthaltenen Oszillators,

Fig. 3 einen LC-Schwingkreis,

Fig. 4 einen negativen Widerstand,

Fig. 5 einen Stromkreis mit positivem Widerstand und

Fig. 6 einen Stromkreis mit negativem Widerstand.

Ein elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät 1 ist üblicherweise aus einem Oszillator 2, einem Schaltver stärker 3 (Schmitt-Trigger) und einer Schaltstufe 4 gemäß Fig. 1 zusammengesetzt.

Erfindungsgemäß ist der Oszillator 2 durch eine Schaltung realisiert, die einen durch Annäherung eines Betätigungsele ments bedämpfbaren Schwingkreis mit einem Kondensator K und einer lediglich zwei Anschlüsse aufweisenden Spule S enthält (siehe Fig. 2).

Ein realer verlustbehafteter Schwingkreis läßt sich durch einen negativen Widerstand derart beschalten, daß er nach außen als idealer verlustfreier Schwingkreis wirkt und je nach Entdämpfung mit konstanter Schwingamplitude wirkt bzw. daß die Schwingamplitude sogar exponentiell ansteigt, soweit es die aktive Schaltung technisch zuläßt. Dieses Verhalten läßt sich aus dem Ersatzschaltbild für einen passiven Schwingkreis gemäß Fig. 3 ableiten. Dieser weist eine ideale Induktivität L, eine ideale Kapazität C und einen parallel geschalteten Ersatzwiderstand R* für die Spulen- und Konden satorverluste auf. Wird dieser passiven LC-Anordnung gemäß Fig. 3 eine aktive Schaltung parallel geschaltet, die die Ei genschaft eines negativen Widerstands -R gemäß Fig. 4 besitzt, so ergibt sich nach der Formel des komplexen Leitwerts fol gende Beziehung:

Für R = R* ergibt sich ein idealer verlustfreier Schwingkreis mit konstanter Schwingamplitude.

Für R* < R steigt die Schwingamplitude, wie bereits darge legt, exponentiell an.

Ein ohmscher, positiver Widerstand hat die Eigenschaft, daß bei Anlegen einer positiven Spannung gemäß Fig. 5 ein Strom

in den Widerstand R hineinfließt. Bei einem negativen Wider stand gemäß Fig. 6 sind die Beträge von Strom und Spannung zwar ebenfalls direkt proportional, jedoch fließt der Strom in umgekehrter Richtung, d. h. er ist negativ und fließt am positiven Spannungsanschluß aus dem Widerstand heraus.

Die technische Realisierung eines negativen Widerstands zum Aufbau einer entsprechenden Oszillatorschaltung 2 ist in Fig. 2 dargestellt. Zwischen die beiden Anschlußklemmen I und O ist der aus der Spule S und dem Kondensator K bestehende Schwingkreis angeschlossen. Die weitere Schaltung des Oszil lators 2 besteht im wesentlichen aus zwei Zweigen. Der erste Zweig umfaßt einen ersten ohmschen Widerstand R₁, einen er sten Transistor V₁ und einen zweiten Transistor V₂. Der zwei te Zweig enthält einen zweiten ohmschen Widerstand R₂, einen dritten Transistor V₃, einen vierten Transistor V₄ sowie ei nen vierten ohmschen Widerstand R₄. Zwischen einem Verbin dungspunkt 11 und der Anschlußklemme I liegt die Reihenschal tung aus dem Widerstand R₁, der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors V₁ und der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors V₂. Zwischen dem Verbindungspunkt 11 und einem zweiten Verbindungspunkt 12 liegt die Reihenschaltung aus dem zweiten ohmschen Widerstand R₂, der Kollektor- Emitter-Strecke des dritten Transistors V₃, die Kollektor- Emitter-Strecke des vierten Transistors V₄ und schließlich der vierte ohmsche Widerstand R₄, der als verstellbarer Widerstand ausgeführt sein kann. Der Verbindungspunkt 12 ist direkt mit der Anschlußklemme O zum Schwingkreis verbunden. Die Basis des ersten Transistors V1 ist über einen dritten Verbindungspunkt 13 mit der Basis des dritten Transistors V₃ verbunden, und die Basis des zweiten Transistors V₂ ist über einen vierten Verbindungspunkt 14 mit der Basis des vierten Transistors V₄ verbunden. Zwischen beiden Verbindungspunkten 13 und 14 liegt ein dritter ohmscher Widerstand R₃. Zwischen den Verbindungspunkten 11 und 12 liegt eine Kapazität C₁. Der Schaltungsteil zwischen den Verbindungspunkten 11 und 12 ist in Reihe zu einem fünften ohmschen Widerstand R₅ an die Span nungsversorgung U₀ angeschlossen. Die Spannungsversorgung U₀ wird im Schaltgerät gemäß Fig. 1 durch den Schaltverstärker 3 bereitgestellt.

Im folgenden wird die Funktion der Schaltung näher erläutert. Liegt an den Anschlußklemmen O und I eine Momentanspannung U_E an, so steht am Widerstand R₄ in etwa die gleiche Spannung an, da sich die Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transi storen V₂ und V₄ kompensieren. In diesem Fall fließt durch den Widerstand R₄, über die Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren V₃ und V₄ und den Widerstand R₂ der gleiche Strom

da wegen der Stromverstärkung B die Basisströme vernachläs sigt werden können. Der Strom I₂ erzeugt am Widerstand R₂ den Spannungsabfall

Da sich ebenfalls die Basis-Emitter-Spannungen der Transisto ren V₁ und V₃ nahezu kompensieren, sind die Spannungen an den Widerständen R₂ und R₁ praktisch identisch. Es fließt demnach durch den Widerstand R₁ über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren V₁ und V₂ ein Strom

Sind die Widerstände R₁ und R₂ gleich groß, so beträgt der Strom

bzw. der Eingangswiderstand

Der Widerstand R₄ wird also in einen negativen Widerstand R_E = -R₄ abgebildet. Mit dem Widerstand R₄ kann beispielsweise der Schaltpunktabgleich durchgeführt werden. Es sind neben R₁ = R₂ auch andere Widerstandsverhältnisse möglich. Der Widerstand R₃ erzeugt die Vorspannung der Basis-Emitter-Strecken der einzelnen Transistoren V₁, V₂, V₃ und V₄. Auf die daraus resultierenden Ruheströme, d. h. die Gleichspannungs arbeitspunkteinstellung, und die Spannungsversorgung U₀ wird hier nicht näher eingegangen. In Verbindung mit einem LC-Schwingkreis an den Anschlußklemmen O und I lassen sich somit technisch einfache und temperaturstabile Oszillatorstufen, insbesondere für induktive Näherungsschalter, realisieren. Anstelle des Widerstands R₃ zur Erzeugung der Vorspannung für die Transistoren können alternativ auch zwei Gleichstromquel len eingesetzt werden, von denen die eine zwischen den Ver bindungspunkten 11 und 14 liegt und die andere zwischen den Verbindungspunkten 13 und 12.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsform erläu tert ist, sollte berücksichtigt werden, daß damit nicht beab sichtigt ist, die Erfindung nur auf die dargestellte Ausfüh rungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen, Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.

Claims

1. Elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät (1) mit einem von außen beeinflußbaren Oszillator (2), der einen aus einer Spule (S) und einem Kondensator (K) zusammenge setzten Schwingkreis umfaßt, wobei die Spule (S) lediglich zwei Anschlüsse aufweist, dadurch gekennzeich net, daß der Schwingkreis betriebsmäßig an eine erste An schlußklemme (I) und eine zweite Anschlußklemme (O) einer Schaltung mit folgenden Merkmalen geschaltet ist:

a) Die Schaltung ist in ihrer Grundstruktur aus zwei Zweigen zusammengesetzt, wobei der erste Zweig einen ersten ohm schen Widerstand (R₁), einen ersten Transistor (V₁) und einen zweiten Transistor (V₂) und der zweite Zweig einen zweiten ohmschen Widerstand (R₂), einen dritten Transi stor (V₃), einen vierten Transistor (V₄) und einen vier ten ohmschen Widerstand (R₄) umfaßt,
b) zwischen einem ersten Verbindungspunkt (11) und der er sten Anschlußklemme (I) ist eine Reihenschaltung aus dem ersten ohmschen Widerstand (R₁), der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (V₁) und der Kollektor- Emitter-Strecke des zweiten Transistors (V₂) geschaltet,
c) zwischen dem ersten Verbindungspunkt (11) und einem zwei ten Verbindungspunkt (12), der mit der zweiten Anschluß klemme (O) verbunden ist, ist eine Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand (R₂), der Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors (V₃), der Kollektor- Emitter-Strecke des vierten Transistors (V₄) und dem vierten ohmschen Widerstand (R₄) geschaltet,
d) zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt (11, 12) liegt eine Kapazität (C₁) und
e) die Basis des ersten Transistors (V₁) und die Basis des dritten Transistors (V₃) sind über einen dritten Verbin dungspunkt (13) miteinander verbunden und die Basis des zweiten Transistors (V₂) und des vierten Transistors (V₄) sind über einen vierten Verbindungspunkt (14) miteinander verbunden und
f) über den dritten und vierten Verbindungspunkt (13, 14) sind Bauelemente angeschlossen, die die Vorspannung der Basis-Emitter-Strecken des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors (V₁, V₂, V₃, V₄) erzeugen, und
g) zwischen dem zweiten Verbindungspunkt (11) und einem fünften Verbindungspunkt (15) liegt ein fünfter ohmscher Widerstand (R₅) und
h) zwischen dem ersten und fünften Verbindungspunkt (11, 15) ist die Spannungsversorgung (U₀) angeschlossen.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorspannung der Basis-Emitter-Strecken durch einen ohmschen Widerstand (R₃) zwischen den dritten und vierten Verbindungspunkt (13, 14) hergestellt wird.