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" Elektronischer Endschalter " Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Endschalter bzw. Annäherungsschalter, der nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet,
also bei Veränderungen des elektrischen Feldes in der aktiven Zone des Schalters
anspricht.
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Diese Anderungen können durch Annäherung von Körpern verschiedenster
Art ausgelöst werden. Er entspricht also letztendlich in seiner Funktionsweise einem
mechanischen Ein- Aus- Schalter.
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Derartige auf dem kapazitiven Prinzip beruhende elektronische Annäherungsschalter
sind schon bekannt. So besteht ein vom Anmelder und Erfinder entwickelter und in
die Technik eingeführter Schalter mit einer Spannung von 24 V Gleichstrom. Auch
dieser bekannte Schalter enthält einen Generator, der anschwingt, wenn durch Annähern
eines Körpers, also nicht etwa nur von Metallen, sondern auch von Nichtmetallen,
Flüssigkeiten oder sonstigen Stoffen, eine bestimmte Kapazität im Annäherungsbereich
bzw. der aktiven Zone überschritten wird. Wie bekannt, ist zur Auslösung des Schaltvorganges
ein Berühren eines solchen Annäherungsschalters
nicht nötig. Es
müssen beim Schaltvorgang keinerlei Kräfte ausgeübt werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen solchen auf dem
kapazitiven Prinzip beruhenden elektronischen Endschalter so auszugestalten, daß
er direkt an 220 V Wechselspannung angelegt werden kann und einen im 220 V Netz
liegenden Verbraucher, z. B. ein Schütz oder einen sonstigen induktiven Schalter,
etwa ein Magnetventil oder ähnliches, steuert. Damit wäre der Vorteil verbunden,
daß das Gerät zweiadrig an die praktisch überall zur Verfügung stehende Wechselspannung
von 220 V angeschlossen werden könnte. Durch geringfügige Änderungen von Widerstandswerten
sollte es möglich sein, das Gerät auch bei andernorts übliche Spannungen, also etwa
bei Spannungen von 110 V; 60 V und 42 V einsetzen zu können.
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Es ist aus Platzgründen oft schwierig und erfordert zusätzlichen teueren
Schaltungsaufwand, wenn die 220 V Wechselspannung erst in eine Gleichspannung niedrigerer
Voltzahl umgewandelt werden müssen.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch einen elektronischen
kapazitiven Endschalter mit einer Thyristor-Endstufe, die, mit dem Verbraucher in
Reihe geschaltet, direkt an 220 V Wechselspannung anlegbar ist.
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Der Endschalter kann dabei als Schließer oder als Öffner ausgebildet
sein.
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In beiden Fällen weist er den Vorteil der direkten und kontaktlosen
Steuerung von 220 V Wechselspannung durch einen entsprechenden Verbraucher,wie ein
Schütz, eine Spule oder dgl. auf.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe
erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in den bei
gefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Fig. 1 zeigt ein Anschlußbild des erfindungsgemäßen kapazitiv elektronischen
Endschalters, Fig. 2 gibt einen Längsschnitt durch den konstruktiven Aufbau dieses
Endschalters wieder, Fig. 3 ist ein Schaltbild des Endschalters in seiner Funktion
als Schließer, Fig. 4 ist ein Schaltbild des Endschalters in seiner Funktion als
Öffner.
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Der kapazitiv-elektronische Endschalter oder Annäherungsschalter 1
besteht im wesentlichen aus einer metallischen kreiszylinderförmigen Ummantelung
2, z,B. einer Messinghülse, die sich in eine kreiszylindrische Hülse 3 aus Kunststoff,
z. B. PVC, fortsetzt, und die, eingegossen in ein Gießharz, z.B. Araldit, die elektronischen,
in Fig. 2 nur beispielsweise angedeuteten Schaltelemente 5 6 usw. aufnimmt, die
auf einer Leiterplatte 7 angedeutet sind, die sich im wesentlichen längs in der
Hülse erstreckt und im rechten Winkel zu einer weiteren Leiterplatte 8 angeordnet
ist, die kreisförmig ausgebildet und in die Kunststoffhülse 3 an einem Absatz- 9
derselben anliegend eingesetzt ist.
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Die aktive Zone 10 bildet sich vor einer Messingscheibe 11 aus, die
im freien Stirnende 12 der Hülse 3 angeordnet und nach außen hin durch eine Gießharzschicht
13 geschützt ist. Diese Messingscheibe 11 wird ergänzt durch einen Messingring 14,
der die Abschirmung bildet0 Die andere Stirnseite 15 der Hülse 2 ist mit einer Kappe
16, z.B. auch aus Messing, versc hlossen. Durch diese Kappe ist über eine übliche
Verschraubung 17 ein Kabel 18 ein- und bis zur Leiterplatte 7 geführt.
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Dieses Kabel 18 enthält die Anschlußleitungen 20 und 21 zu Netzanschlußbuchsen
22, 23 mit normalen, überall erhältlichen 220 V Wechselspannung.
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In der einen der beiden Leitungen, z.R. der Leitung 20, ist der Verbraucher
24 des Endschalters, z.B. ein 220 V Schütz, angeordnet.
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Die in den Schaltungen dargestellten Anschlußpunkte 25 und 26 entsprechen
den Zuführungspunkten 25, 26 der Leitungen 20, 21 des Kabels 18 in der Fig. 2. An
diese Punkte 25 und 26 ist zunächst eine Gleichrichterbrückenschaltung n 4 mit zwei
Eckpunkten angeschlossen. An die beiden anderen Eckpunkte ist ein Thyristor T 6
in Figur 3 bzw. ein Thyristor T 5 in Fig. 4 angeschlossen. Die Schaltung dieses
Thyristors ist im wesentlichen das Kernstück dieser Erfindung. Seine Wirkungsweise
soll nun anschließend anhand der beiden Figuren 3 und 4 näher erläutert werden.
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Fig. 3 zeigt den kapazitiv-elektronischen Annäherungsschalter in Schließer-Funktion,
Fig. 4 in Öffner-Funktion.
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In beiden Fällen sind, wie schon dargestellt, Annäherungsschalter
und Verbraucher, z.B. das Schütz 24 in Reihe geschaltet und an 220 V Wechselspannung
angeschlossen. Die in der Gleichrichterbrücke n 4 erzeugte pulsierende Gleichspannung
ist zum einen Versorgungsspannung und zum anderen Schaltspannung im Annäherungsschalter.
Die Stromaufnahme richtet sich nach dem Widerstand des Verbrauchers und des Annäherungsschalters.
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Sowohl bei der Schließer-Schaltung, als auch bei der Öffner-Schaltung
dienen eine Zenerdiode n 1 und ein Siebkondensator C 3 für einen exakten Spannungswert
sowie eine geringe Restwelligkeit der zum Betreiben des Oszillators nötigen Spannung.
Dieser Oszillator wird im wesentlichen durch die aktive Fläche 27 und die beiden
Transistoren T 1 und T 2 gebildet. Die aktive Fläche 27 ist bei der vorbeschriebenen
konstruktiven Lösung durch die Messingscheibe 11 dargestellt, die Abschirmung 28
durch den Messingring 14. Der Oszillator schwingt nicht, so lange sich kein Material
beliebiger Art im Ansprechbereich der aktiven Zone 10 vor der aktiven Fläche 27
befindet0
Ist nun der Annäherungsschalter als Schließer ausgeführt,
hat dies zur Folge, daß der Transistor T 3 ( Fig. 3) leitend ist und damit den Transistor
T 4 sperrt. Somit kann der Transistor T 5 (pnp) keinen Basisstrom ziehen und damit
auch kein positives Signal an das Gitter des Thyristors T 6 führen. Dies bedeutet,
daß der Thyristor T 6 , unter Mithilfe des Kondensators C 6 und des Widerstandes
R 18, gesperrt ist. Das in Reihe mit dem Annäherungsschalter liegende Schütz 24
kann also nicht anziehen und schalten.
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Gelangt nun Material in die aktive Zone 10 vor der aktiven Fläche
27, wird der durch diese aktive Fläche 27 mit den Transistoren T 1 und T 2 gebildete
Generator zum Schwingen gebracht. Er sperrt sofort den Transistor T 3, der Transistor
T 4 wird leitend und gibt negatives Signal an den Transistor T 5, der seinerseits
leitend wird. Der Transistor T 5 gibt nun ein positives Signal an das Gitter des
Thyristors T 6, welcher nun ebenfalls leitend wird und über die Gleichrichterbrücke
n 4 einen Kurzschluß in der 220 V Wechsel spannungszuführung bildet, so daß das
Schütz 24 anziehen kann.
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So lange sich nun Material in der aktiven Zone 10 befindet, bleibt
der Transistor T 5 leitend und damit der Thyristor T 6 gezündet. Durch die an diesem
angelegte pulsierende Gleichspannung erfährt er einen ständig sich wiederholenden
Null-Durchgang. Das am Gitter des Thyristors T 6 anliegende positive Signal vom
Transistor 5 zündet jedoch den Thyristor T 6 nach jedem seiner Nulldurchgänge neu,
so daß das Schütz angezogen bleibt.
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Wird das Material aus der aktiven Zone entfernt, dann setzt die Schwingung
des Oszillators aus. Der Transistor 5 führt kein positives Signal mehr an das Gitter
des Thyristors. Beim nächsten Nulldurchgang der pulsierenden
Gleichspannung
kann also der Thyristor T 6 nicht mehr zünden.
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Der Thyristor T 6 bleibt gesperrt und das Schütz 24 abgefallen bis
durch erneutes Einbringen von Material in die aktive Zone 10 ein neuer Zündimpuls
hervorgerufen und damit erneut ein Einschaltbefehl an das Schütz 24 gegeben wird.
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Ist der Annäherungsschalter als Öffner ausgebildet (Fig. 4), dann
ist bei nicht schwingendem Oszillator ebenfalls der Transistor T 3 leitend und damit
der Transistor T 4 gesperrt. Der Thyristor T 5 (im Gegensatz zum Thyristor T 6 in
Fig. 3) kann nun Gitterstrom über den Widerstand R 14 ziehen. Der Thyristor wird
leitend und bildet über die Gleichrichterbrücke n 4 einen Kurzschluß, was das sofortige
Anziehen des Schütz 24 zur Folge hat. Der Annäherungsschalter mit dieser Schaltung
gleicht also im Ruhezustand einem geschlossenen mechanischen Kontakt.
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Wird nun durch Einbringen bzw. durch die Annäherung von Material in
die aktive Zone 10 der Oszillator zum Schwingen gebracht, sperrt sofort der Transistor
T 3. Der Transistor T 4 wird leitend und gibt ein negatives Signal an das Gitter
des Thyristors T 5, welcher beim nächsten Nulldurchgang des pulsierenden Gleichstromes
durch den Thyristor sperrt. Der Thyristor T 5 bleibt gesperrt und das Schütz 24
bleibt abgefallen. Es ist also der dem Zustand eines geöffneten mechanischen Kontaktes
entsprechende Zustand gegeben.
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So lange sich Material in der aktiven Zone 10 befindet, bleibt der
Transistor T 4 leitend und damit der Thyristor T 5 gesperrt.
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Wird das Material aus der aktiven Zone 10 entfernt, setzten die Schwingungen
des Oszillators aus. Der Transistor T 4 wird wiederum gesperrt und der Thyristor
T 5 kann wieder Gitterstrom über den Wl
derstand R 14 ziehen und
bleibt leitend, Ebenso zieht das Schütz 24 sofort wieder an und bleibt angezogen.
Der Thyristor T 5 erfährt zwar einen sich ständig wiederholenden Nulldurchgang der
an ihn angelegten pulsierenden Gleichspannung. Das aber über den Widerstand 14 an
seinem Gitter anliegende positive Signal zündet den Thyristor nach jedem Nulldurchgang
erneut, so daß das Schütz 24 angezogen bleibt.
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Im übrigen entsprechen die in den Schaltungen über die erwähnten Schaltelemente
hinaus eingezeichneten und bezeichneten Schaltelemente solchen mit üblichen und
bekannten Funktionen in Schaltungen, wie den vorliegenden und bedürfen somit keiner
näheren Erläuterung.
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Der erfindungsgemäße kapazitiv-elektronische Endschalter erlaubt also
zunächst einen unmittelbaren Anschluß an das überall vorhandene 220 V Wechselstromnetz
und den Einsatz eines 220 V Schütz oder dgl.
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Er ist zweiadrig angeschlossen und besitzt keinerlei mechanische Kontakte.
Er kann neben der beschriebenen Anwendung als elektronischer Befehlsgeber für Schützsteuerungen
unter anderem als Niveauwächter, Füllstandsanzeiger für Flüssigkeiten, aber auch
für pulverförmige Stoffe, Granulate, wie Mehl, Zucker, PVC usw. dienen.