DE2453608C2

DE2453608C2 - Eingangsschaltung für Berührungs- oder Annäherungsschalter

Info

Publication number: DE2453608C2
Application number: DE19742453608
Authority: DE
Inventors: Karl-Wilhelm Dipl.-Ing. 5880 Luedenscheid Dugge
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1974-11-12
Publication date: 1981-10-15
Also published as: DE2453608B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung für Berührungs- oder Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 22 19 289 ist eine derartige Eingangsschaltung bekannt. Sowohl bei dieser als auch bei den aus den DE-OS 23 17 415 und 23 17 414 bekannten Schaltungen wird als Schaltkriterium der vom Benutzer, der als hochohmiger Widerstand wirkt, in die Betätigungsplatte fließende Strom verwendet
Die bekannten elektronischen Berührungsschalter werden üblicherweise in Wechselstromnetzen eingesetzt. Sie verwenden als Schaltverstärker ein Schaltelement, beispielsweise einen Transistor, das eingangsseitig über einen hochohmigen Schutzwiderstand mit der Betätigungsplatte und über eine Diode, die den Eingangsstrom gleichrichtet, mit der Phasenleitung des Netzes und ausgangsseitig mit der Steuerelektrode eines weiteren, stärkeren Schaltelementes, beispielsweise eines Thyristors, verbunden ist Dieses zweite Schaltelement betätigt dann entweder ein Stromstoßrelais oder schaltet direkt die Nutzlast.

Diese Berührungs- oder Annäherungsschalter haben die in sie gesetzten Erwartungen voll erfüllt Ihre Empfindlichkeit ist so groß, daß sie auch bei sehr geringen, für den Menschen völlig ungefährlichen, Eingangsströmen sicher schalten. Werden diese Schalter jedoch in Räumen eingesetzt, in denen ein hoher Grad an Feuchtigkeit oder Schmutz auftritt, so können sie durch die dadurch bedingte Verringerung des Isolationswider-Standes der Berührungsplatte ungewollt ansprechen. Dieser unerwünschte Effekt ließe sich durch ein Verringern der Empfindlichkeit vermeiden. Dieser naheliegende Weg ist jedoch nicht gangbar, da dadurch der zum sicheren Schallen benötigte Eingangsstrom gefährlieh hohe Werte erreichen könnte.

Aus der DE-OS 22 22 704 ist ein Annäherungsschalter bekannt, bei dem Schwierigkeiten, die sich aus der Anlagerung von Schmutz, Fett usw. auf dem als Sensor dienende Teil des Schalters ergeben, und die unter Umständen zu ungewollter Auslösung von Schaltvorgängen durch den Schalter führen können, durch einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand beseitigt werden sollen. Bei diesem bekannten Annäherungsschalter ist die als isolierte Elektrode ausgebildete Be-

ίο tätigungsplatte mit einer sich selbst verzögert abgleichenden Brückenschallung verbunden, die von zwei Eingangssignalen gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phasenlage gespeist wird. Die Ausgangssignale der Brückenschaltung werden summiert, verstärkt und

einem Phasendetektor zugeführt Bei langsamer Änderung einer Phasendifferenz dient die dabei erzeugte Regelspannung zur Kompensation dieser Phasendifferenz, wobei ein automatischer Abgleich der Brücke bei langsamer Änderung der Eingangsbedingungen erzielt

wirci Bei rascher Änderung der Eingangsbedingungen, die durch Änderung der Kapazität der isolierten Elektrode gegenüber einem Bezugspotential sich äußert, kann ein Schaltsignal gewonnen werden. Zusätzlich zur Brückenschaltung wird bei der bekannten Schaltung ein Verstärker. Oszillator. Phasendelektor, ein Verzögerungsglied und ein Phasenschieber benötigt, die zusammen mit der Brückenschaltung den Regelkreis bilden.

Schließlich ist aus der DE-OS 21 30 634 eine Kompensationsanordnung bekannt, mit der beispielsweise durch Verunreinigungen hervorgerufene Abweichungen von Ausgangsgrößen eines Meßorgans von einem ursprünglichen Bezugswert ausgeglichen werden sollen. Hierzu wird das Meßorgan, welches zusammen mit Widerständen einen Spannungsteiler bildet und an einer Gleichspannung liegt, an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen, dessen Ausgang ein gegebenenfalls eine Schaltfunktion

auslösendes Signal liefert und über eine Parallel-ÄC-Kombination mit der über einen Kondensator an den Emitter angekoppelten Basis eines Transistors verbunden ist Der Transistor ist kollektorseitig an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers und emitterseitig über einen Widerstand ebenfalls an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen. Wenn sich beispielsweise infolge von Verschmutzung der ursprüngliche Einstellwert am Meßorgan ändert, ergibt sich eine Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und nichtinvenierendcn Eingang. Diese Spannungsdifferenz wird dadurch aufgehoben, daß der zwischen der Basis des Transistors und dem Emitter liegende Kondensator aufgeladen wird und dadurch der Kollektor-Emitter-Widerstand des Transistors und somit auch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers so geändert wird, daß die Spannungsdifferenz wieder gegen Null zurückgeht Um diese Kompensationswirkung zu erzielen, benötigt man bei der bekannten Schaltungsanordnung einen kostenaufwendigen Operationsverstärker sowie neben dem an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossenen Spannungsteiler und neben dem an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossenen Parallel-/?C-GIied zusätzlich den Transistor, den zwischen der Basis des Transistors und dem Emitter liegenden Kondensator und außerdem den zwischen dem Emitter des Transistors und dem nichlinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers vorgesehenen Widersland. Das bedeutet, daß auch hier ein relativ hoher schaltungstechnischer Aufwand notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Eingangsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der langsame Änderungen des Isolations-Widerstandes der Betätigungsplatte, die durch Umwelteinflüsse bedingt sind, den Schalter nicht ansprechen lassen, während schnelle, gewollte Änderungen zu einem sicheren Schaltvorgang führen, und die nur wenige zusätzliche Schaltungselemente benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß ein mit der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung ausgerüsteter Berührungs- oder Annäherungsschalter durch die langsamen, durch Umwelteinflüsse bedingten Änderungen des Isolationswiderstandes zwischen der Betätigungsplatte und ihrer Gegenplatte bzw. der Erde nicht mehr durchschalten kann, daß aber bei einem gewellten Antippen der Betätigungsplatte, beispielsweise mit dem Finger, der Schalter sicher anspricht, ohne daß ein großer Schaltungsaufwand erforderlich ist.

Vorzugsweise ist der Spannungsteiler so eingestellt, daß bei konstanter Größe des von der Betatigungsplatte kommenden Stromes die abgegriffenen Momentanwei tspannungsmaxima die gleiche Größe haben wie der sich an dem Integrierkondensator einstellende Spannungsmittelwert. Durch diese Dimensionierungsmaßnahme wird der Unterschied im Sparnungswert zwischen der Amplitude der Wechselspannungshalbwellen und dem durch die Integrierung am Integrierkondensator gebildeten arithmetischen Mittelwert ausgeglichen.

Als Steuerstrecke für das Schaltelement dient entweder die Gitter-Kathoden-Strecke einer Elektronenröhre, die Basis-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors, die Gate-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors oder die Gate-Kathode;>Slrerke eines Thyristors oder Triacs. Bei Verwendung eines bipolaren Transistors als Schaltelement ist vorzugsweise die Mittelwertspannung an den Emitter, die Momentanwertspannung an die Basis geführt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung besitzen die am Integrierglied gebildete Mittelwertspannung und die am Spannungsteiler gebildete Momentanwertspannung unterschiedliche Polarität, und die arithmetische Summe dieser beiden Spannungen liegt an der Eingangselektrode des Schaltelementes. Diese Schaltungsvariante ist besonders dann angezeigt, wenn eine Elektrode der Steuerstrecke an einer bestimmten Bezugsleilung liegen muß. Dabei ist eine Diode vorgesehen, die die eine Halbwelle des von der Berührungsplatte kommenden Stromes in das Integrier^lied, die andere Halbwelle an den Spannungsteiler führt; für die Summenbildung ist ein ohmscher Widerstand vorgesehen, der gleichzeitig die Summenspannung an den Steuereingang des Schaltelementes legt. Auch bei dieser Schaltungsvariante muß wieder durch eine geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers dafür gesorgt werden, daß bei gleichbleibendem Eingangsstrom die Amplitude der Momentanwertspannung nicht größer wird als die sich am Integrierkondensator einstellende Mittelwertspannung.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung beispielsweise erläutert werden.

F i g. 1 zeigt als Bespiel eine bislang benutzte Eingangsschaltung für Berührungsschalter, die am Lichtnetz arbeiten, wie sie aus der eingangs genannten DE-OS 22 19 28S bekannt ist. Mit P ist die Netzphasenleitung bezeichnet. Die Basis des Schalttransistors Γ ist über einen hochohmigen Schutzwiderstand Rs mit der Betätigungsplatte 13 verbunden. Durch den Isolationswiderstand Ru zwischen der Betätigungsplatte B und Erde wird ein Wechselstrom /' hervorgerufen, der an einem zwischen Basis und Emitter des Transistors T geschalteten Widerstand R\ eine Spannung erzeugt. Die negativen Halbwellen des Eingangsstrome? / fließen über eine Diode D direkt zur Netzphasenle'tung. während die positiven Halbwellen die gewünschte Steuerspannung bilden. Der dem Widerstand R\ parallelgeschaltete Kondensator G dient zur Unterdrückung von kurzzeitigen, parasitären Störspannungsspitzen, die auf kapazitivem Wege auf die Betätigungsplatte B gelangen.

Der Widerstand R\ ist so dimensioniert, daß die Spannung an R\ erst dann die Basis-Emitter-Schwellenspannung überschreitet, wenn der Übergangswiderstand Ru des Benutzers dem im allgemeinen sehr hochohmigen Isolationswiderstand R_u parallelgeschaltet wird, d. h., wenn die Betätigungsplatte B berührt wird. Wird der Isolationswiderstand R_u aber durch extreme Feuchtigkeit oder Verschmutzung stark herabgesetzt, so erreicht die Spannung an R\ auch ohne den Übergangswiderstand Ru des Benutzers die Schwellenspannung, wodurch der Transistor T durchgeschaltet wird und den Schaltvorgang unbeabsichtigt auslös;.

F i g. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung. In dieser Figur ist der sich mit den Umgebungsbedingungen langsam verändernde Isolationswiderstand R_u mit dem bei der Berührung plötzlich zugeschalteten Widerstand R_u zu einem veränderlichen Gesamtwiderstand Rq zusammengefaßt. Der durch diesen Widerstand Ro in die Betätigungsplatte B hineinfließende Strom / gelangt über den Schutzwiderstand Rs zu einer Diode D, die

ihn gleichrichtet. Die an der Kathode der Diode D entstehende pulsierende Gleichspannung lädt über einen Integrierwiderstand Ra einen Inlegrierkondensator C2 auf die Mittelwerlspannung auf. Dadurch liegt der Emitter des Transistors Tauf einem Potential, das dem Mittelwert des Eimgangsstromes 1 proportional und dem mittleren Wen von Rc umgekehrt proportional ist.

Die an der Diode D entstehende pulsierende Gleichspannung wird gleichzeitig auch dem aus den Widerständen /?2 und Λ3 gebildeten Spannungsteiler zügeführt. Durch das Widerstandsverhältnis wird die pulsierende Gleichspannung so reduziert, daß die Spannungsmaxima ebenso groß sind wie der am Emitter liegende Spannungsmittelwert. Dadurch bleibt bei langsamen, umgebungsbedingten Änderungen des Widerstandes Rc die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Γ stets kleiner oder gleich 0 Volt. Auf diese Weise kann ein unbeabsichtigtes Schalten des Transistors T durch Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes des Isolationswiderstandes R_u nicht mehr auftreten.

Plötzliche Änderungen des Widerstandes Rc durch Berühren der Betätigungsplatte B führen zu einer ebenso plötzlichen Änderung der am Spannungsteiler R2, Ri abgegriffenen Momentanwertspannung bzw. der Basisspannung. Da das Integrierglied Ra, C₂ das Emitterpotential konstant hält, kann der Transistor Tdurchschalten, wenn die Spannungsdifferenz an seiner Steuerstrecke über der Schwellenspannung liegt.

Der Kondensator Ci hat — wie bei F i g. I bereits erläutert — die Aufgabe, kurze Störimpulse zu unterdrücken; sein Kapazitätswert kann relativ klein gewählt werden, so daß keine Verzögerung des Anstiegs der Momentanwertspannung beim Berühren der Betäligungsplatte eintritt.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Emitter des Eingangstransistors T an der Bezugsleitung P liegt. Die vom Eingangsstrom / am Widerstand Rs hervorgerufene Spannung wird durch die Diode D gleichgerichtet und bildet am Integrationskondensator Ci eine negative Kompensalionsgleichspannung, die dem Widerstand Rc umgekehrt proportional ist. Der Basis des Transistors Twerden die positiven Wechselspannungshalbwellen über den Spannungsteiler R2, R] zugeführt. Das Spunnurigsieiierverhälinis ist so gewählt, daß die positiven Spannungsmaxima dem Betrag nach ebenso groß sind wie die negative Integrationsspannung am Kondensator Ci. Dadurch bleibt die Spannungssumme zwischen Basis und Emitter des Transistors T bei konstantem oder sich nur langsam änderndem Widerstand Rc stets kleiner oder gleich Null. Bei einer plötzlichen Änderung des Widerstandes Rc durch Berühren der Betätigungsplatte B wird der Transistor T wie beabsichtigt durchgeschaltet, bis sich die Integrationsspannung am Kondensator Ci auf den neuen Wert eingestellt hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Eingangsschaltung für Berührungs- oder Annäherungsschalter, die für den Geräteeinbau oder für Installationszwecke vorgesehen sind, mit einem Schaltelement, das eingangsseitig mit einer Betätigungsplatte und ausgangsseitig mit dem Leistungsteil des Schalters verbunden ist und bei dem eingangsseitig ein Gleichrichter und ein ÄC-Giied vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem RC-Gl\sd ein so großer Kondensator (Q) vorgesehen ist, daß das .RC-Glied Jen gleichgerichteten, von der Betätigungsplatte (B)kommenden Strom (I) integriert und daraus eine Mittelwertspannung bildet, daß ferner ein ohmscher Spannungsteiler (7?2, Ri) vorgesehen ist, der aus dem gleichgerichteten, von der Betätigungsplatte (B) kommenden Strom (7^eine Momentanwertspa.inung bildet, und daß Mittelwertspannung und Momentanwertspannung so an die Steuerstrecke des Schaltelementes (T) angelegt sind, daß dieses durchschaltet, sobald die Momenlanwertspannung um die Schwellenspannung des Schaltelementes (T) größer ist als die Mittelwertspannung.

2. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (R₇, Ri) so eingestellt ist, daß bei konstanter Größe des von der Berülirungsplatte (B) kommenden Stromes (i) die abgegriffenen Momentanwertspannungsmaxima die gleiche Größe haben wie der sich an dem Integrierkondensator (C2) einstellende Spannungsmittelwert.

3. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke die Gitter-Kathoden-Strecke einer Elektronenröhre ist.

4. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke die Basis-Emitter-Strecke einer, bipolaren Transistors ist.

5. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke die Gate-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors ist.

6. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke die Gate-Kathoden-Strecke eines Thyristors oder eines Triacs ist.

7. Eingangsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertspannung an den Emitter, die Momentanwertspannung an die Basis des Transistors (T) geführt ist.

8. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Gleichrichter wirkende Diode (D) so geschaltet ist, daß sie die eine Halbwelle des von der Berührungsplatte (SJ kommenden Stromes (i) an das Integrierglied, die andere Halbwelle an den Spannungsteiler führt, und daß ein ohmscher Widerstand (Ri) für die Summenbildung vorgesehen ist, der gleichzeitig die Summenspannung an den Steuereingang des Schaltelementes (T) führt.