DE2516024A1

DE2516024A1 - Circuit arrangement for proximity switch - includes RC circuit in parallel with electrode and discharge circuit

Info

Publication number: DE2516024A1
Application number: DE19752516024
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Justi
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-04-12
Filing date: 1975-04-12
Publication date: 1976-10-21

Abstract

The proximity switch includes a switching circuit which operates as the result of capacitance change. A current generator (3) charges an electrode (1) linearly in time, and a timer (5) and a discharge circuit (4) discharge the electrode (1). A resistor (6) in series with a capacitor (7) are connected in parallel with the electrode (1) and the discharge circuit (4). The time constant of this RC circuit (6, 7) is much greater than that of the charging circuit when in its normal state, but is much smaller when an object moves close to the electrode (1). The voltage across the capacitor (7) is used to control a threshold switch.

Description

Schaltungsanordnung für einen Näherungsschalter Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Näherungsschalter, bestehend aus einem unter dem Einfluß einer Kapazitätsänderung einen Schaltvorgang auslösenden Schaltkreis.Circuit arrangement for a proximity switch The invention relates to a circuit arrangement for a proximity switch, consisting of a below the influence of a change in capacitance a switching process triggering circuit.

Derartige Schaltungsanordnungen sind bekarrit. Sie erzeugen mit Hilfe einer Elektrode, an der ein definiertes Wechselpotential liegt, ein elektrisches Feld gegenüber ihrer Umgebug. Daraus resultiert eine Gesamtkapazität zwischen dieser Elektrode und ihrer Umgebung, die sich als Summe von Teilkapazitäten für die aus der Elektrode und einem in deren Nähe gebrachten Gegenstand bestehende Anordnung auffassen läßt.Such circuit arrangements are known. You generate with help an electrode with a defined alternating potential, an electrical one Field across from their surroundings. This results in a total capacity between them Electrode and its surroundings, which are made up as the sum of partial capacities for the the electrode and an object brought in its vicinity existing arrangement lets grasp.

Dabei koinmt es häufig vor, daß die Gegenstände elektrische Geräte oder z.B. Installationsleitungen sind. Die Störspannungelly beispielsweise Knackstörungen, gelangen über die jeweilige Teilkapazität auf die Elektrode. In dieser xuberlagern sich die Störsignale dem an der Elektrode liegenden Meßsignal (Nutzsignal).It often happens that the objects are electrical devices or e.g. installation cables. The interference voltageelly for example Clicking disturbances reach the electrode via the respective partial capacitance. In In this way, the interference signals are superimposed on the measurement signal at the electrode (Useful signal).

Dabei liegt häufig an der Elektrode eine bestimmt, hohe N£ßspannung. Nähert man der Elektrode einen Gegenstand bis zu dem Abstand an, bei dem der Schaltvorgang ausgelöst wird, dann soll die Änderung der Meßspannung die Amplitude möglicher Störspannwlgen deutlich überschreiten. D.h. man trägt dafür Sorge, daß stets ein ausreichender Abstand zwischen der Nutzspannung und der Störspannung an der Elektrode besteht. Dies setzt aber voraus, daß für die Auslegung der Schaltung der Parameter Nutzsignal bzw. Nutzenergie in bestimmten Grenzen frei wählbar ist. Bei Verwendung von Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art in Lichtkreisen ist die Höhe der Nutzspannung an der Meßelektrode über die Energiebilanz des Eigenverbrauchs der elektronischen bzw. elektrischen Schaltung vorgegeben. Dagegen können bei niedrigen Nutzsignalpegeln Störsignale an der Elektrode zu unersenschten Ein- bzw. Ausschaltvorgängen führen.Often there is a certain high voltage at the electrode. If an object is approached to the electrode up to the distance at which the switching process occurs is triggered, then the change in the measuring voltage should increase the amplitude of possible interference voltages clearly exceed. That means that one ensures that there is always a sufficient There is a distance between the useful voltage and the interference voltage at the electrode. However, this assumes that the parameter useful signal or useful energy can be freely selected within certain limits. When using circuit arrangements of the type mentioned at the beginning in circles of light is the level of the useful voltage at the Measuring electrode on the energy balance of the internal consumption of the electronic resp. electrical circuit specified. On the other hand, at low useful signal levels Interfering signals at the electrode lead to inexpedient switch-on and switch-off processes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Ar-t dahingehend zu vvrbessern, daß auch bei niedrigem Nutzsignalpegel Störsignale an der Elektrode ohne Einfluß auf den Schaltkreis bleiben.The object of the present invention is therefore to provide a circuit arrangement to improve the aforementioned Ar-t in such a way that even with a low useful signal level Interference signals at the electrode have no influence on the circuit.

Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß zur zeitlinearen Aufladung der Elektrode ein Stromgenerator und zu deren Entladung ein Zeitgeber und ein Entladekreis vorgesehen sind, und daß parallel zur Elektrode und zum Entladekreis die ReihenschaltuQlg eines Widerstandes und eines Kondensators liegt, wobei die Zeitkonstante dieses RC-Gliedes wesentlich größer als die des unbeeinflußten Ladekreises, jedoch wesentlich kleiner als die des durch Annälierung eines Gegenstandes an die Elektrode beeinflußten Ladekreises ist, und daß die Ladespannung am Kondensator einen Schwellwertschalter steuert.According to the invention, this takes place in that for time-linear charging the electrode a current generator and its discharge a timer and a discharge circuit are provided, and that in parallel with the electrode and the discharge circuit the series connection of a resistor and a capacitor is, the The time constant of this RC element is significantly greater than that of the unaffected charging circuit, but much smaller than the one made by annealing an object to the Electrode influenced charging circuit, and that the charging voltage across the capacitor controls a threshold switch.

Zweckmäßigerweise liegt dazu die Grenzfrequenz des RC-Gliedes in der Größenordnung von einigen Hz.For this purpose, the cut-off frequency of the RC element is expediently in the A few Hz.

Der den Entladekreis steuernde Zeitschalter kann dabei eine sägezahn- oder dreieckförmige Spannung liefern.The time switch controlling the discharge circuit can use a sawtooth or supply triangular voltage.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen werden Störsignale, wie sie aus der Umgebung auf die Elektrode gelangen können, unterdrückt, so daß sie keine unerwtinschten Schaltvorgänge auslösen können.The proposed measures are interfering signals as they come from the environment can get on the electrode, suppressed, so that they do not have any undesired Can trigger switching processes.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben.The invention is described in more detail with the aid of the drawing.

Darin zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, Fig. 2 Spannungsdiagramme, und Fig. 3 ein erweitertes Schaltbildder Anordnung nach Fig. 1. Eine Elehtrode 1, in den Figuren symbolisch als ein Kondensator 2 dargestellt, ist einmal mit einem Stromgenerator 3 und außerdem mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 4 verbunden. An dessen Basis gelangt die Ausgangsspannung eines als Impulsgenerator dargestellten Zeitgebers 5, die den Transistor 4 periodisch öffnct und schließt. Parallel zum Kondensator 2 und zur Kcllektor-Emitter-Strecke des Transistors 4 liegt die Reihenschaltung eines Widerstandes 6 mit einem weiteren Kondensator 7. An diesem Kondensator 7 tritt eine Ausgangsspannung UA auf, die zur Auslösung eines Schaltvorganges dienen kann. Dazu eignet sich ein an sich bekannter, in Fig. 1 jedoch nicht näher dargestellter Schwellwortschalter.1 shows a basic circuit diagram of the proposed circuit arrangement, Fig. 2 voltage diagrams, and Fig. 3 an expanded circuit diagram of the arrangement according to Fig. 1. An electrode 1, symbolically in the figures as a capacitor 2 is shown once with a current generator 3 and also with the collector-emitter path of a transistor 4 connected. The output voltage of a as a pulse generator shown timer 5, the transistor 4 periodically opens and closes. Parallel to capacitor 2 and to the collector-emitter path of the transistor 4 is the series connection of a resistor 6 with another Capacitor 7. An output voltage UA occurs on this capacitor 7, which is used for Triggering a switching process can serve. A well-known, In Fig. 1, however, threshold word switch not shown in detail.

Aus der Stromquelle 3 wird der Kondensator 2 ständig mittels eines Stromes i aufgeladen. Im Rhythmus der vom Zeitgeber 5 gelieferten Taktimpulse wird der Transistor 4 abwechselnd geöffnet und gesperrt, so daß sich am Kondensator 2 eine Dreieck- oder Sägezahnspannung einstellt, wie sie in Fig. 2a (obere Zeile) dargestellt ist. Diese Spannung gelangt auf das RC-Glied 6,7, das die Aufgabe hat, aus dieser periodisch schssankenden Lade spannung am Kondensator 2 den arithmetischen Mittelwert zu bilden. Dabei ist das RC-Glied 6,7 so bemessen, daß es erstens die Aufladung des Kondensators 2 nicht behindert, d.h.-, der Widerstand 6 ist sehr hochohmig, und daß es zweitens Anderungen der Spannung am Kondensator hindurchläßt. Diese zweite Bedingung ist erfüllt, wenn die Grenzfrequenz des RC-Gliedes 6,7 in der Größenordnung von einigen Hz liegt.From the power source 3, the capacitor 2 is constantly by means of a Current i charged. In the rhythm of the clock pulses supplied by the timer 5 the transistor 4 is alternately opened and blocked, so that the capacitor 2 sets a triangular or sawtooth voltage as shown in Fig. 2a (top line) is shown. This voltage reaches the RC element 6.7, which has the task of from this periodically decreasing charge voltage on the capacitor 2 the arithmetic To average. The RC element 6.7 is dimensioned so that it firstly Charging of the capacitor 2 is not hindered, i.e., the resistor 6 is very high-resistance, and, second, that it transmits changes in the voltage across the capacitor. This second Condition is met when the cutoff frequency of the RC element 6.7 is of the order of magnitude of a few Hz.

Wird nämlich ein Gegenstand, z.B. eine Hand, in die Nähe der Elektrode 1 gebracht, so wird dadurch die Kapazität des Kondenstators 2 vergrößert, was zu einem Spannungsabfall an diesem Kondesllsator führt.If an object, e.g. a hand, comes near the electrode 1 brought, this increases the capacity of the capacitor 2, which leads to leads to a voltage drop across this capacitor.

Störspannungsimpulse aus der Umgebung gelangen ebenfalls auf die Elektrode 1, so daß sie sich zur augenblicklichen Spannung am Kondensator 2 flächensymmetrisch addieren, wie Fig. 2a ebenfalls zeigt.Interference voltage pulses from the environment also reach the electrode 1, so that it is symmetrical in area to the instantaneous voltage on the capacitor 2 add, as Fig. 2a also shows.

Netzgebundene oder durch elektrische Geräte erzeugte Störungen weisen in aller Regel Frequenzanteile auf, die außerhalb des Durchilaßbereiches des flC-Gliedes 6,7 liegen. Die Ausgangsspannung UA des RC-Gliedes ist daher nur der Dreieck- oder Sägezahnspannung an Kondensator 2 proportional.Network-related interference or interference generated by electrical devices as a rule, frequency components that are outside the transmission range of the flC element 6.7 lie. The output voltage UA of the RC element is therefore only the triangle or Sawtooth voltage on capacitor 2 is proportional.

Im Falle der oben erwähnten Annäherung eines Gegenstandes wie z.B. einer Hand an die Elektrode 1 sinkt die Aufladespannung am Kondensator 2 also ab, da der Entladezeitpunkt durch den Generator 5 vorgegeben ist. Das RC-Glied 6,7 läßt langsame Anderungen der Spannung am Kondensator 2 im Bereich von einigen Hz passieren, vgl. Fig. 2b. Der Annäherungsvorgang beginnt z.B.In the case of the above-mentioned approach of an object such as e.g. with one hand on electrode 1, the charging voltage on capacitor 2 drops, since the discharge time is specified by the generator 5. The RC element can 6.7 slow changes in the voltage on capacitor 2 in the range of a few Hz occur, see Fig. 2b. The approach process starts e.g.

bei t = T1. Auch hier treten Störsignale über der Ausgangsspannung UA nicht auf.at t = T1. Here, too, interference signals occur above the output voltage UA not on.

Dem Ausgangssignal UA überlagerte Störungen können nur dann erscheinen, wenn 1.) Schwebungen zwischen der Spannung am Kondensator 2 und Störsignalspannungen auftreten und in den burchlaßbereich des RC-Oliedes 6,7 fallen. Dieser Fall kann jedoch nur dann eintreten, wenn die Störsignale die Bedingwlgen nach Betrag, Phase und Frequenz erfüllen.Interference superimposed on the output signal UA can only appear if if 1.) Beating between the voltage on capacitor 2 and Interference signal voltages occur and fall in the transmission range of the RC-Oliedes 6.7. However, this case can only occur if the interfering signals meet the conditions according to amount, phase and frequency.

2.) Schwebungen der Meßspanrnrng an der Elektrode von mehreren eng benachbarten Näherungsschaltern auftreten.2.) Pulsations of the measuring voltage at the electrode of several narrow adjacent proximity switches occur.

Störungennach 1.) lassen sich grundsätzlich nicht vermeiden.Faults according to 1.) cannot be avoided in principle.

Versuche haben gezeigt, daß nur Störsignale von extremer Amplitude und in einem engen Frequenzbereich Schwebungen verursachen. Beaufschlagt man den Kondensator 2 nicht mit einer dreieckförmigen Spannung, sondern mit einer harmonischen Schwingung, dann entfallen die Schwebungen, die durch Oberwellen entstehen können.Tests have shown that only interference signals of extreme amplitude and cause beats in a narrow frequency range. If you act on the Capacitor 2 not with a triangular voltage, but with a harmonic Oscillation, then the beats that can arise from harmonics are eliminated.

Störungen nach 2.) lassen sich vermeiden, wenn die Taktgeneratoren synchronisiert werden.Faults according to 2.) can be avoided if the clock generators be synchronized.

Näherungsschalter werden oft unter sehr unterschiedlichen Umgebungsbedingungen betrieben. So können dielektrische Materialien, z.B. Wasser, unterschiedliche Erdungsverhältnisse und auch Toleranzen der Elektrodenabmessungen bewirken, daß die Kapazität des Kondensators 2 langzeitig stark schwankt. Diese Langzeitänderung der Kapazität beträgt oft ein Mehrfaches der Kapazitätsinderlngen, die man durch Annäherung eines Gegenstand des an die Elektrode erzielt. Dies macht sich jedoch erst in weiteren, nachgeschalteten und in den Figuren nicht dargestellten Stufen bexperkbar. So ist es iiblich, einem Spannungswert, der einer bestimmten Kapazität wld darnit einem bestimmten Abstand entspricht, mit Hilfe eines Schwellwertschalters das Schaltkriteriuzl ein zuzuordnen. Die erwähnten Langzeitanderungen der Meßkapazität können dazu führen, daß der Schwellwertschalter nicht oder dauernd anspricht. Dennoch kann die Bctrietssicherheit mittels einer erweiterten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 erzielt werden.Proximity switches are often used under very different environmental conditions operated. Dielectric materials, e.g. water, can have different earthing conditions and also tolerances in the electrode dimensions cause the capacitance of the capacitor 2 fluctuates strongly over the long term. This long-term change in capacity is often a A multiple of the capacity reduction that can be achieved by approaching an object of the achieved on the electrode. However, this is only happening in further, downstream and not shown in the figures stages bexperkbar. So is It is customary to use a voltage value that corresponds to a certain capacitance corresponds to a certain distance, with the help of a threshold switch the switching criterion an assign. The mentioned long-term changes in the measuring capacity can lead to that the threshold value switch does not respond or always responds. Nevertheless, the Bctrietssicherheit can can be achieved by means of an expanded circuit arrangement according to FIG.

Während in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 die am Kondensator 7 anstehende Spannung UA unmittelbar zur Steuerung eines Schwellwertschalters verwendet wird, ist in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ein Differen.verstärker 10 vorgesehen, dessen einem Eingang die Spannung UA und dessen anderem Eingang eine von einem Spannungsteiler 8,9 abgegriffene Spannung zugeführt wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 10 ist mit einem weiteren Zeitglied, bestehend aus einem Widerstand 11 und einem Kondensator 12, verbunden. Eine zwiscllen dem Widerstand 11 und dem Kondensator 12 abgegrtrfene Spannung wird als Regelspannung einem regelbaren Stromgenerator 13 zugeführt. In diesem Fall dienen die Widerstände 8 und 9 als Sollwertgeber. Die im Differenzverstärker 10 verstärkte Abweichung der Istwert-Spannung UA von der durch die Widerstände 8 und 9 vorgegebenen Sollwertspannung durchläuft das Zeitverzögerungsglied 1. Ordnung 11,12. Danach gelangt die zeitverzögerte Regelspannung auf den Regeleingang der Stromquelle 13, z.B. einen elektronisch steuerbaren Konstantstromgenerator. Erhöht sich z.B.While in the circuit arrangement according to FIG. 1, the capacitor 7 applied voltage UA is used directly to control a threshold switch a differential amplifier 10 is provided in the circuit arrangement according to FIG. one input of which is the voltage UA and the other input is one from a voltage divider 8.9 tapped voltage is supplied. The output of the differential amplifier 10 is with a further timing element, consisting of a resistor 11 and a capacitor 12, connected. A cut between the resistor 11 and the capacitor 12 Voltage is fed to a controllable current generator 13 as control voltage. In In this case the resistors 8 and 9 serve as setpoint generators. The one in the differential amplifier 10 increased deviation of the actual value voltage UA from that caused by the resistors 8 and 9 predetermined setpoint voltage runs through the time delay element of the 1st order 11.12. The delayed control voltage is then applied to the control input of the Current source 13, e.g. an electronically controllable constant current generator. Elevated e.g.

langzeitig die Kapazität des Kondensators 2, darm vergrößert die Regeleinrichtung den Strom i so-lange, bis die Spannung UA ab züglich einer kleinen Regelabichung wieder konstant ist.long-term the capacitance of the capacitor 2, then increases the control device the current i until the voltage UA minus a small control deviation is constant again.

Es ist auch möglich, nicht über den Strom i, sondern über die Taktzeit des Taktgenerators 5 die Konstanz der Spannung UA zu bewirken. Statt des geregelten Stromgenerators 13 wirkt dann der Taktgenerator 5 als Stellglied, derart, daß die Taktfrequenz von einer Spannung oder einem Strom steuerbar ist.It is also possible not via the current i, but via the cycle time of the clock generator 5 to bring about the constancy of the voltage UA. Instead of the regulated Current generator 13 then acts the clock generator 5 as an actuator, such that the Clock frequency can be controlled by a voltage or a current.

Ein von der Ausgangsspannung Uv gesteuerter, nicht dargestellter Schwellwertschalter spricht daher nur auf die relativ kurzen Spannungsänderungen an, die von der Annäherung eines Gegenstandes oder einer Hand an die Elektrode 1 herrühren.A threshold switch (not shown) controlled by the output voltage Uv therefore only responds to the relatively short voltage changes caused by the approach an object or a hand to the electrode 1.

Patentansprüche:Patent claims:

Claims

Circuit arrangement for a proximity switch, consisting of a switching process under the influence of a change in capacitance triggering circuit, characterized in that for time-linear A * aladwlg the electrode (1) a current generator (3) and a timer (5) to discharge it and a discharge circuit (4) are provided and that parallel to the electrode (1) and to the discharge circuit (4) the series connection of a resistor (6) and a capacitor (7), the time constant of this RC element (6,7) being significantly greater than dS of the uninfluenced charging circle, but much smaller than that of the approach of an object to the electrode (1) is influenced charging circuit, and that the Charging voltage on the capacitor (7) controls a threshold switch.

2.) Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the cut-off frequency of the RC element (6.7) is in the order of magnitude of a few Hz.

3.) Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized characterized in that the time switch (5) consists of a transistor (4) and a current generator (3) and on the electrode (1) an ea 'tooth, triangular or harmonic Creates tension.

4.) Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the voltage UA across the capacitor (7) has a first Input of a differential amplifier (io) and one of a voltage divider (s, 9) worn Voltage are fed to a second input of the differential amplifier (10), and that the output voltage (Uv) of the differential amplifier (10) corresponds to the input of a threshold value and at the same time via one of a further resistor (11) and another Capacitor (12) formed timing element the control input of a controllable current source (13) is supplied.

5.) Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the frequency of the timer (5) is variable.

L e r s e i t e