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Elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät Die Erfindung
betrifft ein elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät, das über einen
Außenleiter mit einem Pol einer Spannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter
mit einem Anschluß eines Verbrauchers (desser anderer Anschluß an den anderen Pol
der Spannungsquelle angeschlossen ist) verbindbar ist, bestehend aus einem von außen
beeinflußbaren Oszillator, einem von dem Oszillator, gegebenenfalls über eine Kippstufe,
steuerbaren Thyristor (oder einem anderen elektronischen Schalter) und einer Speiseschaltung
zur Erzeugung der
Hilfsspannung für den Oszillator und gegebenenfalls
für die Kippstufe, bei dem der Oszillator einen Verstärkertransistor und eine Rückkopplungsschaltung
aufweist, an die Basis des Verstärkertransistors eine Ansprechelektrode angeschlossen
ist und zur Beeinflussung des Oszillators und damit zur Betätigung des Schaltgerätes
durch einen sich der Ansprechelektrode nähernden Ansprechkörper die Kapazität zwischen
der Ansprechelektrode und einer mit dem Minuspol der Hilfsspannung verbundenen Gegenelektrode
vergrößerbar ist.
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Elektronische Schaltgeräte der eingangs beschriebenen Art, die also
kontaktlos ausgerührt sind, werden in zunehmendem Maße anstelle von elektrischen,
mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgeführt sind, in elektrischen
Meß-, Steuer- und Regelkreisen verwendet. Solange bei diesen elektronischen Schaltgerten
der Ansprechkörper die Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Gegenelektrode
noch nicht hinreichend vergrößert hat, also einen vorgegebenen Abstand noch nicht
erreicht hat, gilt fUr den Oszillator K ~ V <1 mit K = RUckkopplungsfaktor und
V = Verstärkungs faktor des Oszillators, d.h. der Oszillator schwingt nicht.
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Erreicht der Ansprechkörper den vorgegebenen Abstand, so führt die
steigende Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Gegenelektrode zu einer
Vergrößerung des Rückkopplungsfaktors K, wobei K ~ V = 1 wird, d.h. der Oszillator
schwingt. Abhängig von den unterschiedlichen Zuständen des Oszillators wird, zumeist
über eine Kippstufe, der Thyristor oder ein anderer elektronischer Schalter gesteuert.
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Bei den bekannten elektronischen Schaltgeräter der eingangs beschriebenen
Art, von denen die Erfindung ausgeht, liegt im Kollektorkreis des Verstärkertransistors
ein Parallelschwingkreis aus einer Schwingkreisinduktivität und einer Schwingkreiskapazität,
im Emitterkreis ein Emitterwiderstand und im Basiskreis eine RUckkonplungsinduktivitäI#,
die einerseits an die Basis des Verstärkertransistors und den Abgriff eines aus
zwei Spannungsteilerwiderständen bestehenden, zwischen dem Pluspol und dem Minuspol
der Hilfsspannung liegenden Spannungsteilers und andererseits an die Ansprechelektrode
angeschlossen ist. lurch eine entsprechende Schaltung der Schwingkreisinduk tivität
und der Rückkopplungsinduktivität wird zwischen dem Kollektor des Verstärkertransistors
und dessen Basis eine Phasendrehung von 1800 erzeugt, so daß zusammen mit der zwischen
der Basis des Verstärkertransistors und dessen Kollektor wirksamen Phasendrehung
von 1809 die für einen Oszillator erforderliche Phasendrehung von )Co° erreicht
wird.
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Das zuvor beschriebene elektronische Schaltgerät hat sich an sich
in der Praxis außcrordentlich gut bewährt, es ist jedoch im folgenden Punkt noch
verbesserungsbedürftig: uie Tatsache, daß das bekannte elektronische Schaltgerät,
von dem die Erfindung ausgeht, einerseits eine Schwingkreisinduktivität, andererseits
eine RückkopplungsinduRtivität, also zwei Induktivitäten benötigt, ist nachteilig.
Zunächst ist aus der Sicht konventioneller Herstellung die Notwendigkeit, zwei Induktivitäten
verwenden zu müssen, bereits aufwendig. Hinzu
kommt aber, daß in
zunehmendem Maße elektronische Schaltungen integriert werden, daß Induktivitäten
monolithisch nicht integriert werden können und daß bei integrierten Schaltungen
die aus der integrierten Schaltung herauszuführenden Anschlüsse aufwendig sind.
Würde man also die den bekannten e]ektronischen Schaltgeräten zugrundeliegenden
Schaltungen integrieren, so würden für die monolithisch nicht integrierfähigen Induktivitäten
vier Anschliisse benötigt.
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Der Erfindung liegt also primär die Aufgabe zugrunde, das bekannte,
zuvor im einzelnen erläuterte elektronische Schalter rät hinsichtlich des Oszillators
so weiterzubilden, daß es mit weniger Aufwand hergestellt und isbesondere besser
integriert werden kann.
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Viese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen dadurch
gelöst, daß der Kollektor des Verstärkertransistors einerseits über einen Kollektorwiderstand
am Pluspol der Hilfsspannung liegt, andererseits über die ohmisch-kapazitiv ausgebildete
Rückkopplungsschaltung auf den Emitter des Verstärkertransistors rückgekoppelt ist
und schließlich über einen Koppelwiderstand an die Basis des Verstärkertransistors
angeschlossen ist. Die ohmisch-kapazitive Rückkopplungsschaltung zwischen dem Kollektor
des Verstärkertransistors und dessen Emitter einerseits, die Ohm'sche Kopplung des
Kollektors des Verstärkertransistors an dessen Basis andererseits führt in Verbindung
mit
der kapazitiven Kopplung der Basis des Verstärkertransistors an dessen Emitter (über
die durch die Ansprechelektrode und die Gegenelektrode gebildete Ansprechkapazität)
zu der für das Schwingen eines Oszillators erforderlichen Phasendrehung von insgesamt
3600. Im Ergebnis wird bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät also
weder eine Schwingkreisinduktivität noch eine Rückkopplungsinduktivität benötigt.
Darüber hinaus ist der in der ohmisch-kapazitiven Rückkopplungsschaltung erforderliche
Rückkopplungskondensator so klein, z.B.
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ca. loo pF, daß dieser monolithisch integriert werden kaiin.
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Die Rückkopplungsschaltung weist nach einer weiteren Lehre der Erfindung
einen als Emitterfolger geschalteten Rückkopplungstransistor auf, wobei zweckmäßigerweise
der Emitter des Rückkopplungstransistors über einen ohmisch-kapazitiven Spannungsteiler
mit dem Minuspol der Hilfsspannung verbunden ist und der Emitter des Verstärkertransistors
über einen Emitterwiderstand an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist.
Dabei ist vorzugsweise zwischen dem Emitterwiderstand und dem Minuspol der Hilfsspannung
ein Spannungsteilerwiderstand vorgesehen, whrend zwischen dem Emitter des Rückkopplungstransistors
und dem Emitterwiderstand die Parallelschaltung eines Spannungsteilerwiderstandes
mit der Reihenschaltung aus einem weiteren Spannungsteilerwiderstand und einem Spannungsteilerkondensator
liegt.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltgerätes hat weiter folgenden Vorteil: Durch den Emitterwiderstand und die
Spannungsteilerwiderstände bzw. den Spannungsteilerkondensator des Spannungsteilers
wird ein Rückkopplungsfaktor festgelegt, der dem Sollwert des Schaltabstandes entsprechen
soll. In der Praxis treten jedoch durch die Toleranzen der verwendeten Bauteile
bedingte Abweichungen zwischen dem Istwert des Schaltabstandes und dem Sollwert
des Schaltabstandes auf, so daß ein Abgleich erforderlich ist. Bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform des erfindungsgemä.ßen elektronischen Schaltgerätes besteht - im
Gegensatz zu dem bekannten elektronischen Schaltgerät - die Möglichkeit, diesen
Abgleich in beiden Richtungen vorzunehmen, also den Schaltabstand zu vergrößern
oder zu verkleinern, und zwar dadurch, daß entweder dem zwischen dem Emitterwiderstand
und dem Minuspol der Hilfsspannung liegenden Spannungsteilerwiderstand; oder der
zwischen dem Emitter des Rückkopplungstransistors und dem Emitterwiderstand liegenden
Parallelschaltung ein Abgleichwiderstand parallel geschaltet wird. Der Schaltabstand
kann im übrigen auch durch Parallelschaltung eines Abgleichwiderstandes zum Emitterwiderstand
verkleinert oder durch einen veränderlichen Spannungsteilerwiderstand zwischen dem
Emitterwiderstand und dem Minuspol der Hilfsspannung eingestellt werden.
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung wird, wie an sich bekannt,
dem Emitterwiderstand eine Temperaturkompensatlonsschaltung, z.B. aus einem NTC-Widerstand
und einem Anpassungswiderstand,
parallel geschaltet. Bei dem bekannten
elektronischen Schaltgerät ist die Kompensation der Temperaturabhängigkeit der einzelnen
Bauteile mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden gewesen, insbesondere dann, wenn
Maßnahmen zur betriebsmäßigen Einstellung des Schaltabstandes verwirklicht waren,
weil nämlich durch eine Veränderung des Schaltabstandes auch der Einfluß der Temperaturkompensationsschaltuag
verändert wurde.
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist der Kollektor des Verstärkertransistors
über die Basis-Emitter-Strecke des Rückkopplungstransistors an den Koppelwiderstand
und/oder der Koppelwiderstand über die Basis-Emitter-Strecke eines als Emitterfolger
geschalteten Koppeltransistors an die Basis des Verstärkertransistors und/oder die
Ansprechelektrode über die Basis-Emitter-Strecke eInes als Emitterfolger geschalteten
Koppeltransistors an die Bxis des Verstärkertransistors angeschlossen, wobei zweckmäßigerweise
der Koppelwiderstand und die Ansprechelektinode über die Basis-itmitter-Strecke
eines einzigen als Emitter geschalteten Koppeltransistors an die Basis des Verstärkertransistors
angeschlossen sind.
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Um die Basis des Verstärkertransistors gleichspannungsmäßig festzulegen,
empfiehlt es sich, den Emitter des Koppeltransistors über einen Belastungswiderstand
an den Minuspol der Hilfsspannung anzuschließen und den Kollektor des Koppeltransistors
über eine Vorschaltdiode mit dem Pluspol der HiXhspannung zu verbinden, wobei als
Vorschaltdiode die Basis-Emitter-Strecke eines#Transistors vorgesehen werden kann,
dessen Kollektor mit dessen Basis verbunden ist.
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Damit das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät nur nach einer
Seite empfindlich ist, empfiehlt eine weitere Lehre der Erfindung, die Ansprechelektrode
innerhalb einer einseitig offenen Abschirmung anzuordnen. Dabei ist es vorteilhaft,
die Abschirmung an das der Basis des Verstärkertransistors ferne Ende des Koppelwiderstandes
anzuschließen. Würde man die Abschirmung mit der Gegenelektrode, die zusammen mit
der Ansprechelektrode die Ansprechkapazität bildet, verbinden, also im Normalfall
an Masse legen, so läge die Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmung
der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Gegenelektrode parallel, eine
Veränderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Gegenelektrode
würde den Oszillator nicht beeinflussen.
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Im folgenden wird die erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätes
und Fig. 2 den Oszillator des elektronischen Schaltgerätes nach Fig. 1.
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Das in der Fig. 1 dargestellte elektronische Schaltgerät 1 arbeitet
berührungslos, d.h. es spricht auf einen sich annähernden, in der Fig. nicht dargestelltfn
Ansprechkörper an,
und ist über einen Außenleiter 2 mit einem Pol
3 einer Spannungsquelle 4 und nur über einen weiteren Außenleiter 5 mit einem Anschluß
6 eines Verbrauchers 7 verbindbar, wobei der andere Anschluß 8 des Verbrauchers
7 an den anderen Pol 9 der Spannungsquelle 4 angeschlossen ist. Mit anderen Worten
ist das dargestellte elektronische Schaltgerit 1 über insgesamt nur zwei Außenleiter
2, 5 einerseits an die Spannungsquelle 4 und andererseits an den Verbraucher 7 anschließbar.
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In seinem grundsätzlichen Aufbau besteht das in der Fig. 1 dargestellte
elektronische, d.h. kontaktlos Schaltgerät 1 aus einem von außen, nämlich durch
den nicht dargestellten Ansprechkörper, beeinflußbaren Oszillator lo, einem von
dem Oszillator 1o über eine Kippstufe 11 steuerbaren Thyristor 12 (oder einem anderen
elektronischen Schalter) und einer Speiseschaltung 13 zur Erzeugung der Hilfsspannung
für den Oszillator 10 und die Kippstufe 11.
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Wie die Fig. 2 zeigt, weist der Oszillator 1o einen Verstärkertransistor
14 und eine Rückkopplungsschaltung 15 auf, ist an die Basis 16 des Verstärkertransistors
14 eine Ansprechelektrode 17 angeschlossen und ist zur Beeinflussung des Oszillators
lo und damit zur Betätigung des Schaltgerätes 1 durch einen sich der Ansprechelektrode
17 nähernden,in den Fig. nicht dargestellten Ansprechkörper die Kapazität zwischen
der Ansprechelektrode
17 und einer mit dem Minuspol 18 der Hilfsspannung
verbundenen Gegenelektrode 19 vergrößerbar. Die Kapazität zwischen der Ansprechelektrcde
17 und der Gegenelektrode 19 ist in der Fig. 2 gestrichelt durch eine Ansprechkapazität
20 angedeutet.
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Erfindungsgemäß liegt der Kollektor 21 des Verstärkertransistors 14
über einen Kollektorwiderstand 22 am Pluspol 23 der Hilfsspannung, ist der Kollektor
21 des Verstärkertransistors 14 über die ohmisch-kapazitiv ausgebildete Rückkopp
lungsschaltung 15 auf den Emitter 24 des Verstärkertransistors 14 rückgekoppelt
und ist schließlich der Kollektor 21 des Verstärkertransistors 14 über einen Koppelwiderstand
25 an die Basis 16 des Verstärkertransistors 14 angeschlossen.
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Die ohmisch-kapazitive Rückkopplungsschaltung 15 zwischen dem Kollektor
21 des Verstärkertransistors 14 und dessen Emitter 24 einerseits, die Ohmsche Kopplung
des Kollektors 21 des Verstärkertransistors 14 an dessen Basis 16 andererseits führt
in Verbindung mit der kapazitiven Kopplung der Basis 16 des Verstärkertransistors
14 an dessen Emitter 24 (über die Kapazität zwischen der Ansprechelektrode 17 und
der Gegenelektrode 19, die durch die Ansprechkapazität 20 angedeutet ist) zu der
für das Schwingen eines Oszillators erforderlichen Phasendrehung von insgesamt 3600.
Im Ergebnis wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät 1 also weder eine Schwingkreis
induktivität noch eine Rijckkopplungsinduktivität benötigt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Lehre der
Erfindung weist die Riickkos~r)lungsschaltung 15 einen als Emitterfolger geschalteten
HUckkopplungstransistor 26 auf, ist der Emitter 27 des Rückkoppiungstransistors
26 über einen ohmisch-kapazitiven Spannungsteiler p8 mit dem Minuspol 18 der Hilfsspannung
verbunden und ist der Emitter 24 des Verstärkertransistors 14 über einen Emitterwiderstand
29 an den Abgriff 30 des Spannungsteilers 27 angeschlossen.
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Im einzelnen ist dabei zwischen dem Emitterwiderstand 29 und dem Minuspol
18 der Hilfsspannung ein Spannungsteilefl#iderstand 31 vorgesehen, während zwischen
#C!tI Emitter 27 des Rückkopplungstransistors 26 und dem Fmitterwiderstand 29 die
Parallelschaltung eines Spannungsteilerwiderstandes 32 mit der Reihenschaltung aus
einem weiteren Spannungsteilerwiderstand 33 und einem Sp nnungsteilerkondensator
34 liegt.
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Durch den Emitterwiderstand 29 und die Spannungsteilerwider stände
31, 32, 33 bzw. den Spannungsteilerkondensator 34 des Spannungsteilers 28 wird ein
Rückkopplungsfaktor festgelegt, der dem Sollwert des Schaltabstandes entsprechen
soll.
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In der Praxis treten jedoch durch die Toleranzen der verwendeten Bauteile
bedingte Abweichungen zwischen dem Istwert des Schaltabstandes und dem Sollwert
des Schaltabstandes auf, so daß ein Abgleich erforderlich ist. Bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltgerätes
1 besteht - im Gegensatz zu dem bekannten elektronischen Schaltgerät - die Möglichkeit,
diesen Abgleich in beiden Richtungen vorzunehmen, also den Schaltabstand zu vergrößern
oder zu verkleinern, und zwar dadurch, daß entweder dem zwischen dem Emitterwiderstand
29 und dem Minuspol 18 der Hilfsspannung liegenden Spannungsteilerwiderstand 31
oder dem zwischen dem Emitter 27 des Rückkopplungstransistors 26 und dem ;mitterwiderstand
29 liegenden Spannungsteilerwiderstand 32 ein Abgleichwiderstand parallel geschaltet
wird. Der Schaltabstand kann im übrigen auch durch Parallelschaltung eines Abgleichwiderstandes
zum Emitterwiderstand 29 verkleinert werden oder dadurch eingestellt werden, daß,
wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, der Spannungsteilerwiderstand 31 zwischen
dem Emitterwiderstand 29 und dem Minuspol 18 der Höchstspannung veränderlich ausgeführt
ist.
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Wie die Fig. 2 zeigt, ist dem Emitterwiderstand 29 eine Temperaturkompensationsschaltung
35 aus einem NTC-Widerstand 36 und einem Anpassungswiderstand 37 parallel geschaltet.
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Im übrigen sind vorzugsweise, wie 'auch in der Fig. 2 dargestellt,
der Kollektor 21 des Verstärkertransistors 14 über die Basis-Emitter-Strecke 38
des Rückkopplungstransistors 26 an den Koppelwiderstand 25 sowie der Koppelwiderstand
25 und die Ansprechelektrode 17 über die Basis->:mitter-Strecke 39 eines als
Emitterfolger geschalteten Koppeltransistors 40 an die
Basis 16
des Verstärkertransistors 14 angeschlossen. Um die Basis 16 des Verstärkertransistors
14 gleichspannungsmäßig festzulegen, ist der Emitter 41 des Koppeltransistors 40
über einen Belastungswiderstand 42 an den Minuspol 18 der Hilfsspannung angeschlossen
und ist der Kollektor 43 des Koppeltransistors 40 über eine Vorschaltdiode 44 mit
dem Pluspol 23 der Hilfsspannung verbunden, wobei als Vorschaltdiode 44 die Basis-Emitter-Strecke
45 eineS Transiston 46 vorgesehen ist, dessen Kollektor 47 mit dessen Basis 48 verbunden
ist.
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Damit das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät 1 nur nach einer
Seite empfindlich ist, ist die Ansprechelektrode 17 innerhalb einer einseitig offenen
Abschirmung 49 angeordnet, wobei die Abschirmung 49 an das der Basis 16 des Verstärkertransistors
14 ferne Ende des Koppelwiderstandes 25 angeschlossen ist. Würde man die Abschirmung
49 mit der Gegenelektrode 19, die zusammen mit der Ansprechelektrode 17 die gestrichelt
dargestellte Ansprechkapazität 20 bildet, verbinden, so läge die Kapazität zwischen
der Ansprechelektrode 17 und der Abschirmung 49 der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode
17 und der Gegenelektrode 19 parallel, eine Veränderung der Kapazität zwischen der
Ansprechelektrode 17 und der Gegenelektrode 19 würde den Oszillator 1o praktisch
nicht beeinflussen. In der Fig. 2 ist die Kapazität zwischen der Ansprechelektrode
17 und der Abschirmung 49 gestrichelt als Abschirmkapazität 5o dargestellt.
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Schließlich ist, wie die Fig. 1 zeigt, bei dem erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltgerät 1 eingangsseitig noch eine Gleichrichterbrücke 51 vorgesehen, da die
Spannungsquelle 4 Wechselspannung führt.