DE2744785A1

DE2744785A1 - Elektronisches, beruehrungslos arbeitendes schaltgeraet

Info

Publication number: DE2744785A1
Application number: DE19772744785
Authority: DE
Inventors: Robert Buck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-05
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1979-04-12
Also published as: IT1099239B; SE7809630L; JPS5461677A; IT7828446A0; GB2005422A; FR2405594A1; DE2744785B2

Description

Patentanmeldung

Robert Buck
Kirchbühlweg 128
7995 Neukirch

Gerd Marhofer j

Beckmannsbusch 67
4300 Essen-Bredeney

Elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät

Die Erfindung betrifft ein elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät, bestehend aus einem von außen \ beeinflußbaren Oszillator, aus einem von dem Oszillator, 1 gegebenenfalls über einen Schaltverstärker od. dgl. steuer-j baren elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, und gegebenenfalls aus einer Speiseschaltung zur Erzeugung der Speisespannung für den Oszillator und gegebenenfalls für den Schaltverstärker,

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wobei vorzugsweise der Oszillator als RC-Oszillator ausgeführt ist sowie einen Verstärkertransistor und eine ohmischkapazitive Rückkopplungsschaltung aufweist, wobei zu dem Oszillator eine Ansprechelektrode gehört und eine Änderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und Masse den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators bewirkt und wobei schließlich mindestens eine die Ansprechelektrode vorzugsweise topfförmig umgebende Abschirmelektrode vorgesehen ist.

Elektronische, berührungslos arbeitende Schaltgeräte der eingangs beschriebenen Art, sogenannte kapazitive Schaltgeräte, sind vielfach bekannt (vgl. die FR-PS 14 36 069, die eingetragenen Unterlagen des DT-Gbm 66 o2 341 und die DT-OS 22 o3 039). Bei den in Rede stehenden kapazitiven Schaltgeräten können der Oszillator, der gegebenenfalls vorgesehene Schaltverstärker und die gegebenenfalls vorgesehene Speiseschaltung zur Erzeugung der Speisespannung für den Oszillator und gegebenenfalls für den Schaltverstärker verschieden ausgeführt sein. Im Rahmen der Erfindung kommt es darauf nicht an, so daß es sich erübrigt, insoweit auf Einzelheiten einzugehen.

Bei einer ersten bekannten Ausführungsform des eingangs beschriebenen elektronisch^ berührungslos arbeitenden Schaltgerätes (vgl. die FR-PS 14 36 069) ist die AbscHrmelektrode an Massepotential angeschlossen. Einerseits wird dadurch zwar eine gute Abschirmungper Ansprechelektrode erreicht; nur eine Änderung der Kapazität zwischen der der Abschirmelektrode abgewandten Seite der Ansprechelektrode und Masse bewirkt den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators.

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Andererseits führt jedoch die an Massepotential angeschlossene Abschirmelektrode dazu, daß dieses kapazitive Schaltgerät relativ unempfindlich ist. Tatsächlich existiert bei dieser Ausführungsform des eingangs beschriebenen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätes eine relativ große Kapazität zwisehen der Ansprechelektrode und der die Ansprechelektrode topfförmig umgebenden, an Massepotential angeschlossenen Abschirmelektrode. Dieser relativ großen Kapazität (zwischen der der Abschirmelektrode zugewandten Seite der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode) liegt die Kapazität (zwischen der der Abschirmelektrode abgewandten Seite der Ansprechelektrode und Masse) parallel, deren Änderung den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators bewirken soll. Folglich führen nur relativ große Änderungen der Kapazität zwischen der der Abschirmelektrode abgewandten Seite der Ansprechelektrode und Masse (im folgenden auch Ansprechkapazität genannt) zum Schwingungseinsatz bzw. Schwingungsabriß des Oszillators.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform des eingangs beschriebenen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätes (vgl. die eingetragenen Unterlagen des DT-Gbm 66 o2 341 und die entsprechende DT-OS bzw. DT-AS l6 73 84l) soll die Abschirmelektrode mit ihrem elektrischen Feld um l8o° phasenverschoben gegenüber dem elektrischen Feld der Ansprechelektrode in einem den Schwingungseinsatz dämpfenden Sinne an den Oszillator angeschlossen sein. Dadurch soll erreicht worden sein (vgl. Spalte 3, Zeilen 2o bis 31 der DT-AS l6 73 84l), daß das Schaltgerät weitgehend unempfindlich gegen eine Änderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der

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Abschirmelektrode ist, da diese Kapazität eine Gegenkopplung des Oszillators bewirke, wodurch der Schwingungseinsatz des Oszillators noch weiter unterdrückt werde. Der Lehre, die Abschirmelektrode mit ihrem elektrischen Feld um l8o° phasenverschoben gegenüber dem elektrischen Feld der Ansprechelektrode in einem den Schwingungseinsatz dämpfenden Sinne an den Oszillator anzuschließen, liegt eine Physik der Zusammenhänge zugrunde, die mit der Schulphysik nicht im Einklang steht.

Der Erfindung soll nun die Aufgabe zugrundeliegen, das eingangs beschriebene elektronische, berührungslos arbeitende Schaltgerät so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Abschirmelektrode einerseits ihre Funktion, die Ansprechelektrode vor ungewollten Beeinflussungen zu schützen, optimal erfüllt, andererseits weder die Ansprechempfindlichkeit des damit versehenen Schaltgerätes negativ beeinflußt noch in anderer Weise sich negativ auswirkt.

Das erfindungsgemäße elektronische, berührungslos arbeitende Schaltgerät, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode zumindest annähernd Null ist. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß weder eine Änderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode noch eine Änderung der Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und Masse sich auf den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators auswirken soll. Da nun Änderungen der Kapazität

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zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode sowie Änderungen der Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und Masse nicht absolut ausgeschlossen werden können, wird erfindungsgemäß verhindert, daß solche Kapazitätsänderungen sich auf den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators auswirken, nämlich dadurch, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode, also du/dt, zumindest annähernd Null gehalten wird. Ist nämlich die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode Null, so kann auch zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode kein Verschiebungsstrom fließen, können also Änderungen der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode sowie Änderungen der Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und Masse den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators des erfindungsgemäßen Schaltgerätes nicht beeinflussen.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße elektronische, berührungslos arbeitende Schaltgerät auszugestalten und weiterzubilden, was im folgenden nur beispielhaft erläutert werden soll.

Selbstverständlich darf die Lehre der Erfindung, dafür zu sorgen, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode zumindest annähernd Null ist, nicht dadurch realisiert werden, daß die Abschirmelektrode ohmisch, mehr oder weniger hochohmig, an die Ansprechelektrode angeschlossen wird.

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Gleichv;ohl kann die Lehre der Erfindung, dafür zu sorgen, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode und der Abschirmelektrode zumindest annähernd Null ist, dadurch realisiert werden, daß die Abschirmelektrode an die Ansprechelektrode angeschlossen wird, und zwar über einen Folgeverstärker. Der Folgeverstärker muß so ausgelegt sein, daß einerseits das Potential der Abschirmelektrode dem Potential der Ansprechelektrode stets (nach Betrag und Phase) "folgt", daß andererseits die Abschirmelektrode von der Ansprechelektrode ohmisch weitgehend entkoppelt ist. Eine "Belastung" der Abschirmelektrode, z. B. durch eine Änderung der Kapazität zwischen der Abschirmelektrode und Masse, darf sich auf die Ansprechelektrode praktisch nicht auswirken. Diese Forderung führt dazu, bei dem erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerät den zuvor erläuterten Folgeverstärker rückwirkungsfrei auszuführen, vorzugsweise mit einem relativ großen Eingangswiderstand und einem relativ kleinen Ausgangswiderstand.

V/eist bei dem erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerät der Oszillator einen in Emitterschaltung betriebenen Verstärkertransistor und einen Emitterwiderstand auf, so kann nach einer weiteren Lehre der Erfindung die Ansprechelektrode, wie an sich bekannt, an die Basis des Verstärkertransistors und die Abschirmelektrode an den Emitter des Verstärkertransistors angeschlossen sein, kann also der Verstärkertransistor des Oszillators zugleich die Funktion des Folgeverstärkers übernehmen. Wird dabei als Ver-

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Stärkertransistor ein Feldeffekt-Transistor vorgesehen, so wird die zuvor erläuterte Forderung nach Rückwirkungsfreiheit, großem Eingangswiderstand und kleinem Ausgangswiderstand besonders gut erfüllt. Gleichwohl kann, auch dann, wenn als Verstärkertransistor ein Feldeffekt-Transistor vorgesehen ist, die Abschirmelektrode über einen als Emitter-Folger betriebenen zweiten Verstärkertransistor an den Emitter des ersten Verstärkertransistors angeschlossen sein, - so daß die Abschirmelektrode noch stärker von der Ansprechelektrode entkoppelt ist.

Schließlich kann nach einerlweiteren Lehre der Erfindung, wie an sich bekannt, eine zweite Abschirmelektrode vorgesehen und an Massepotential angeschlossen sein. Diese zweitejtf Abschirmelektrode kann die erste Abschirmelektrodeltopfförmig umgeben, sie kann zusätzlich aber auch die übrigen elektrischen Bauteile des Schaltgerätes zumindest teilweise vorzugsweise topfförmig umgeben. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerät führt das Zusammenwirken zwischen der Ansprechelektrode, der ersten Abschirmelektrode und der zweiten Abschirmelektrode dazu, daß einerseits die Ansprechelektrode vor ungewollten Beeinflussungen optimal geschützt ist, daß andererseits die Ansprechempfindlichkeit des erfindungsgemäß aufgebauten Schaltgerätes nicht reduziert ist, weil nämlich die Kapazität zwischen den beiden Abschirmelektroden nicht parallel zu der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und Masse liegt, und daß schließlich die Abschirmung der ersten Abschirmelektrode durch die zweite Abschirmelektrode wiederum dazu führt,

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daß ansonsten mögliche Änderungen der Kapazität zwischen der ersten Abschirmelektrode und Masse ohne Auswirkungen bleiben. (Umgibt die zweite Abschirmelektrode auch die übrigen elektrischen Bauteile des Schaltgerätes teilweise oder ganz, so wird verhindert, daß sich äußere Einflüsse in dem erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerät auswirken.)

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätes und

Fig. 2 den Oszillator des elektronischen Schaltgerätes' nach Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte elektronische Schaltgerät 1 arbeitet berührungslos, d. h. es spricht auf einen sich annähernden, in Fig. 1 nicht dargestellten 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 des Verbrauchers 7 an den anderen Pol 9 der Spannungsquelle 4 angeschlossen ist. Mit anderen V/orten ist das dargestellte elektronische Schaltgerät 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 Pig. I dargestellte elektronische, d. h. kontaktlose Schaltgerät 1 aus einem von außen, nämlich durch den nicht dargestellten Ansprechkörper, beeinflußbaren Oszillator lo, einem von dem Oszillator Io über einen Schaltverstärker 11 m*b*m*4mm—mi*m

steuerbaren elektronischen Schalter 12, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem Triac, und aus einer Speiseschaltung 13 zur Erzeugung der Speisespannung für den Oszillator Io und den Schaltverstärker 11. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eingangsseitignoch eine Gleichrichterbrücke l4 vorgesehen, da die Spannungsquelle 4 Wechselspannung führt.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist der Oszillator Io als RC-Oszillator ausgeführt, weist nämlich der Oszillator Io einen Verstärkertransistor 15 und eine ohmisch-kapazitive Rückkopplungsschaltung l6 auf. Zu dem Oszillator Io gehört weiter eine Ansprechelektrode 17. Eine Änderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode 17 und Masse l8 bewirkt den Schwingungseinsatz bzw. den Gchwingungsabriß des Oszillators lo. Schließlich ist eine die Ansprechelektrode 17 topfförmig umgebende Abschirmelektrode I9 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist nun dafür gesorgt, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode 17 und der Abschirmelektrode 19 zumindest annähernd Null ist. Dazu ist die Abschirmelektrode 19 über einen Folgeverstärker 2o an die Ansprechelektrode 17 angeschlossen. Der Folgeverstärker 2o ist rückwirkungsfrei ausgeführt und hat einen relativ großen Eingangswiderstand und einen relativ kleinen Ausgangs- · widerstand.

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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schalv.gerätes, bei dem der Oszillator Io einen in Emitterschaltung betriebenen Verstärkertransistor 15 und einen Emitterwiderstand aufweist, sind die Ansprechelektrode 17 an die Basis 22 des Verstärkertransistors 15 und die Abschirmelektrode 19 an den Emitter 23 des Verstärkertransistors 15 angeschlossen. (Als Verstärkertransistor 15 ist ein "normaler" npn-Transistor vorgesehen, man könnte stattdessen jedoch auch einen Feldeffekt-Transistor verwenden.) Im einzelnen ist die Abschirmelektrode 19 über einen als Emitter-Folger betriebenen zweiten Verstärkertransistor 24 an den Emitter 23 des ersten Verstärkertransistors 15 angeschlossen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht also der Folgeverstärker 2o aus dem (zum Oszillator Io gehörenden) Verstärkertransistor 15 und dem zweiten, als Emitter-Folger betriebenen Verstärkertransistor 24.

Im übrigen zei^ßt Fig. 2 insoweit eine bevorzugte Ausführungs form des erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätesyf als eine zweite Abschirmelektrode 25 vorgesehen und an Massepotential (Potential der Masse l8) angeschlossen ist. Die zweite Abschirmelektrode 25 umgibt die erste Abschirmelektrode 19 topfförmig, - so wie die erste Abschirmelektrode 19 die Ansprechelektrode YJ topfförmig umgibt. (Nicht dargestellt ist, daß die zweite Abschirmelektrode 25 auch die übrigen elektrischen Bauteile des Schaltgerätes 1 zumindest teilweise vorzugsweise topfförmig umgeben kann.)

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Claims

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Patentansprüche:

(j/. Elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät, bestehend aus einem von außen beeinflußbaren Oszillator, aus einem von dem Oszillator, gegebenenfalls über einen Schaltverstärker od. dgl. steuerbaren elektronischen Schall ter, z. B. einem Transistor, einem Thyristor oder einem ι Triac, und gegebenenfalls aus einer Speiseschaltung zur Er- ; zeugung der Speisespannung für den Oszillator und gegebenenfalls für den Schaltverstärker, wobei vorzugsweise der Oszillator als RC-Oszillator ausgeführt ist sowie einen Verstärkertransistor und eine ohmisch-kapazitive Rückkopplungsschaltung aufweist, wobei zu dem Oszillator eine Ansprechelektrode gehört und eine Änderung der Kapazität zwischen der Ansprechelektrode und Masse den Schwingungseinsatz bzw. den Schwingungsabriß des Oszillators bewirkt und wobei schließlich mindestens eine die Ansprechelektrode vorzugsweise topfförmig umgebende Abschirmelektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Ansprechelektrode (17) und der Abschirmelektrode (19) zumindest annähernd Null ist.
2. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (19) über einen ' Folgeverstärker (2o) an die Ansprechelektrode (17) angeschlossen ist. ■

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3. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Folgeverstärker (2o) rückwirkungsfrei ausgeführt ist und -vorzugsweise einen relativ großen Eingangswiderstand und einen relativ kleinen Ausgangswiderstand hat.
4. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 3, bei dem der Oszillator einen in Emitterschaltung betriebenen Verstärkertransistor und einen Emitterwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechelektrode (17), wie an sich bekannt, an die Basis (22) des Verstärkertransistors (15) und die Abschirmelektrode (I9) an den Emitter (23) des Verstärkertransistors (15) angeschlossen sind.
5. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkertransistor ein Feldeffekt-Transistor vorgesehen ist.
6. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (19) über einen als Emitter-Folger betriebenen zweiten Verstärkertransistor (24) an den Emitter (23) des ersten Verstärkertransistors (15) angeschlossen ist.
7. Elektronisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, eine zweite Abschirmelektrode (25) vorgesehen und die zweite Abschirmelektrode (25) an Massepotential angeschlossen ist.

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8. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abschirmelektrode (25) die erste Abschirmelektrode (19) topfförmig umgibt.

9· Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abschirmelektrode auch die übrigen elektrischen Bauteile des Schaltgerätes zumindest teilweise vorzugsweise topfförmig umgibt.

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