DE29915014U1

DE29915014U1 - Kapazitiver Näherungsschalter

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Publication number: DE29915014U1
Application number: DE29915014U
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1999-08-28
Filing date: 1999-08-28
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2009-08-29

Description

Dipl.-Ing.

Rechtsanwalt + Patentanwalt

Landgerichte Mannheim * Heidelberg + Oberlandesgericht Karlsruhe

RA+PA K. Mierswa, Friedrichstrasse 171, 68199 Mannheim 28.08.1999

Deutsches Patent- und Markenamt
D-80297 München

Anwaltsakte: 5427

Anmelder: Pepperl + Fuchs GmbH
Königsberger Allee 87
D-68307 Mannheim

Bezeichnung der Gebrauchsmusteranmeldung:

Kapazitiven Näherungsschalter

Anschrift: Konten:

Friedrichstrasse 171 Stadtsparkasse Mannheim (BLZ 670 501 01) Nr. 19 05 04

D-68199 Mannheim L\>u,tsfhe Bank Mannheim (BLZ 670 JOO 1O)Nr. 77 88 011

Telefon : 0621 - 85 60 00 : : :.. * :: :: : *: Ifcsigircfcmt K&fls£uhe (BLZ 650 100 75) Nr. 63 330-750

Telefax .0621- 85 60 01 J^ I^ S "I "I ^ JJmsafestiueMdintnTKätionä-Ni. (VjA.T.): DE 143916124 email: KlausMierswa@compuserve*.com

- 4 Kapazitiven Näherungsschalter

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Näherungsschalter mit einer elektrischen Brückenschaltung zur Detektion eines sich nähernden oder entfernenden Gegenstandes, welcher Teil eines Kondensators der Brückenschaltung ist, zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen, wobei in den Brückenzweigen der Brückenschaltung sich als weitere Blindwiderstände wenigstens ein Kondensator und gegebenenfalls wenigstens ein Widerstand befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung beaufschlagt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Auswertung von kleinen bis sehr kleinen Kapazitätsänderungen ist eine immer wiederkehrende Aufgabe in der Sensortechnik. Insbesondere bei kapazitiven Näherungsschaltern müssen sehr kleine Kapazitätsänderungen, nämlich in einem Größenbereich < 10 fF, sicher ausgewertet werden, wobei hier vor allem der Störfestigkeit sowie der Temperaturstabilität der betreffenden Schaltung eine zentrale Bedeutung zukommt.

Zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen ist es bekannt, einen Oszillator einzusetzen, dessen Schwingungsamplitude sich in Abhängigkeit von der Sensorkapazität ändert. Die Größe der Schwingungsamplitude ist somit ein Maß für den Wert der Sensorkapazität. Eine derartige Schaltung besitzt den Nachteil, daß sie nicht prinzipbedingt temperaturstabil ist, weshalb bei einer derartigen Schaltung meist eine eventuell schwierig zu dimensionierende Temperaturkompensation notwendig ist. Des Weiteren ist die Oszillatorgüte gering, woraus eine breitbandige Schaltung mit schlechtem EMV-Verhalten resultiert.

Des Weiteren ist es zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen bekannt, einen Oszillator einzusetzen, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der Sensorkapazität ändert. Damit ist ebenfalls der Nachteil verbunden, daß eine solche Schaltung nicht prinzipbedingt temperaturstabil ist, weshalb auch hier eine eventuell schwierig zu dimensionierende Temperaturkompensation nötig ist; auch eine solche Schaltung besitzt ein relativ schlechtes EMV-Verhalten. Des Weiteren ist zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen die sogenannte Switched-Capacitor-Technik bekannt, bei der ein kritisches Timing der Taktsignale nachteilig ist, weshalb ein äußerst stabiler Takt nötig ist, was je nach Verfahren eine aufwendige Schaltungstechnik erfordert.

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Des Weiteren sind zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen auch integrierende Schaltungen bekannt. Diese haben den Nachteil, daß meist eine erdfreie Kapazität notwendig ist. Darüberhinaus benötigen derartige Schaltungen in der Regel eine digitale Auswerteeinheit, meist Zähler, was einen großen schaltungstechnischen Aufwand bedeutet. Derartig Konzepte kommen daher vorwiegend in der Mikrosystemtechnik zur Anwendung.

Des Weiteren ist es bekannt, die Auswertung kleiner Änderungen einer elektrischen Größe vorteilhaft mit Brückenschaltungen zu realisieren. Hierbei wird die zu messende Größe mit Referenzen verglichen, die durch gleichartige Elemente erzeugt werden. Somit können Temperatureinflüsse wirkungsvoll unterdrückt werden, sofern beide Brückenzweige der Brücke jederzeit die gleiche Temperatur haben. Änderungen der betreffenden Größe stellen sich dann als Änderungen der Brückendiagonalspannung dar. Die Verwendung von Blindwiderständen als Brückenelemente bedingt, daß die Brücke mit Wechselspannung betrieben werden muß. Somit stellt auch die Brückendiagonalspannung eine Wechselspannung dar. Die Auswertung der Brückendiagonalspannung stellt dabei nach dem Stand der Technik oft ein Problem dar, da

die Amplitude der Wechselspannung aufgrund der geringen
Kapazitätsänderung sehr klein ist, nämlich einige mV;

die Frequenz der Wechselspannung, mit der die Brücke betrieben wird,
und damit auch die Frequenz der Brückendiagonalspannung, im MHz-Bereich
liegt, damit bei den gegebenen kleinen Kapazitätswerten die
Zweigströme keine zu kleinen Werte annehmen;
- die Brückendiagonalspannung in vielen Fällen neben der

Wechselspannungskomponente auch eine Gleichtaktkomponente mit
erheblich größerer Amplitude als die Wechselkomponente enthält.

Derartige vorbekannte Lösungen sind zum Beispiel in den Druckschriften DE-C2-31 43 114, DE-Al-39 11 009, DE-Al-195 36 198, DE-Al-197 01 899, CH-558 534 sowie der EP-Al-O 723 166 enthalten. Kondensatoren als kapazitive Meßwertaufnehmer innerhalb einer Wechselstrommeßbrücke, entweder in einer Brückenschaltung mit vier Kapazitäten oder mit zwei Kapazitäten und zwei Widerständen, wobei jeweils eine Kapazität veränderlich ist, sind aus der Literaturstelle Heinz Schneider, Kondensatoren als Meßwertaufnehmer, Elektronik-Applikation Nr. 14, 9. Juli 1985, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Näherungsschalter sowie eine Schaltungsanordnung zu schaffen, der eine sichere Auswertung sehr kleiner Kapazitätsänderungen ermöglicht, wobei die Schaltung eine hohe Störfestigkeit sowie prinzipbedingt eine hohe Temperatur-Stabilität aufweisen soll. Des Weiteren soll der Näherungsschalter mit vergleichsweise geringem Aufwand und somit preiswert realisierbar sein.

Der erfindungsgemäße Näherungsschalter besteht aus einer flächigen Mehrlagenplatine aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Zwischenlage als erste Fläche eines Kondensators sich befindet und auf einer der beiden Schichten eine flächige, elektrisch leitfähige Auflage als Sonde aufgebracht ist, die die zweite Fläche des Kondensators bildet, wobei der Gegenstand relativ zu der Sonde beweglich angeordnet ist und mit dieser einen zweiten flächigen, veränderbaren Kondensator bildet, und daß Gegenstand und Sonde die eine Kapazität und Sonde und elektrisch leitfähige Zwischenlage die zweite Kapazität einer der beiden Brückenhälften bilden und dieser Aufbau die eine Hälfte der Brücke repräsentiert, und dass zur Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte Gleichrichter an den Diagonal-Spannungspfaden angeordnet sind zur Auswertung der Brückendiagonalspannung (Ud) erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen (ucl, uc3) als entsprechend der Kapazitätsänderung des veränderbaren Kondensators sich ändernde Gleichspannung.

Der Näherungsschalter weist den Vorteil auf, dass eine sichere Auswertung sehr kleiner Kapazitätsänderungen möglicht ist, wobei die Schaltung eine hohe Störfestigkeit und Temperaturstabilität aufweist und gegenüber eingekoppelten Störungen weitgehend unempfindlich ist. Ebenso ist der Näherungsschalter mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar. Die Vorteile bestehen im Besonderen darin:

- Es muß keine Wechselspannung ausgewertet werden, sondern nur eine
Gleichspannung.

- Zur Auswertung der Brückendiagonalspannung kann ein langsamer
Operationsverstärker bzw. Komparator verwendet werden.

- Die Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen kann mit Dioden erfolgen,
wodurch sich eine sehr einfache Schaltung mit nur wenigen Bauelementen
ergibt; vorteilhaft können sog. langsame Dioden eingesetzt werden, um die
Störungen zu unterdrücken. Oder die Gleichrichtung erfolgt synchron mit

gesteuerten Schaltern, falls eine besonders hohe Störunterdrückung
gefordert wird.

Wichtig ist, daß die Gleichrichter der beiden Zweige gleiches Temperaturverhalten aufweisen, damit die gleichgerichtete Brückendiagonalspannung unabhängig von der Temperatur ist. Für eine gute Störunterdrückung ist es vorteilhaft, wenn der Schaltungsaufbau symmetrisch erfolgt, da eine Störung, die in gleicher Weise auf beide Brückenzweige einwirkt, keine Differenzspannung an den Gleichrichterausgängen verursacht.

Die Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen kann entweder durch Dioden, vorzugsweise vier, oder durch gesteuerte Schalter, vorzugsweise vier, erfolgen, wobei bei der Verwendung von Schaltern diese paarweise gegenphasig angesteuert werden und synchron mit der Brückenspannung von einem Schaltzustand in den anderen umgeschaltet werden.

Zusätzlich können eingekoppelte Störungen wirksam unterdrückt werden, indem vor die Gleichrichter der Brückenzweigspannungen je ein Tiefpaß-Filter, TP-Filter, geschaltet wird. Zu beachten ist, daß die Kapazität des TP-Filters auch durch parasitäre Kapazitäten der Gleichrichterelemente gebildet werden kann, zum Beispiel Sperrschicht- bzw. Diffusionskapazität der PN-Übergänge von Gleichrichterdioden oder der Eingangskapazität von elektronischen Schaltern, so daß auch auf die Kondensatoren verzichtet werden kann. Das EMV-Verhalten kann auch durch den Einsatz von relativ langsamen Gleichrichtdioden verbessert werden. In diesem Fall kann eventuell auf eine zusätzliche TP-Filterung verzichtet werden.

Anstelle von vier Dioden können auch vier Schalter mit paarweise gegenphasiger Ansteuerung zur Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen eingesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, auch Wechselspannungen gleichzurichten, deren Amplitude kleiner ist als die Schwellenspannung einer Gleichrichterdiode. Des weiteren werden Störspannungen besser unterdrückt, da nur solche Wechselspannungen vollständig gleichgerichtet werden, die mit dem Umschaltsignal der Schalter synchronisiert sind. Um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß ein Störsignal die gleiche Frequenz aufweist wie das Umschaltsignal der Schalter, ist es empfehlenswert, die Frequenz der Brückenspannung - und damit auch die des Umschaltsignals - laufend zu ändern. Anstelle von vier einzelnen gesteuerten Schaltern mit paarweise gegenphasiger

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Ansteuerung können auch zwei Umschalter eingesetzt werden. Der sich nähernde oder entfernende Gegenstand, welcher Teil eines Kondensators des kapazitiver Näherungsschalters ist, kann auch geerdet sein.

Somit werden die beiden Brükkenzweigspannungen getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte entweder durch vier Dioden oder durch vier gesteuerte Schalter als Gleichrichter in den Diagonal-Spannungspfaden gleichgerichtet, wobei die Brückendiagonalspannung erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen als sich entsprechend der Änderung der Kapazität ändernde Gleichspannung ausgewertet wird, und bei der Verwendung von Schaltern diese synchron mit der Brückenspeisespannung paarweise gegenphasig angesteuert und synchron mit der Brückenspannung von einem Schaltzustand in den anderen umgeschaltet werden. Die Frequenz der Brückenspeisespannung und damit die des Umschaltsignals kann laufend geändert werden.

Ein Abgleich der Schaltung bzw. des Näherungsschalters geschieht zweckmässigerweise durch Veränderung der Kapazität eines der Kondensatoren in einem der Brückenzweige der Brücke. Dies kann z.B. mit Hilfe eines sog. Drehkondensators oder eines lasertrimmbaren Kondensators erfolgen. Es ist vorteilhaft, den Abgleich derart vorzunehmen, daß im Schaltpunkt des Näherungsschalters die Differenzspannung gleich Null ist, da es dann ausreicht, lediglich das Vorzeichen der Differenzspannung auszuwerten. Wird nur das Vorzeichen der Differenzspannung Ud ausgewertet, so ergibt sich ein Ausgangssignal mit zwei unterschiedlichen Zuständen, wobei der Umschaltpunkt, bei dem das Vorzeichen der Differenzspannung Ud von einem Zustand in den anderen wechselt, nur von dem Kapazitätswert des veränderlichen Kondensators abhängt, nicht jedoch von der Amplitude oder der Frequenz der Brückenspannung ubr oder der Größe der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden.

Soll auf einen Abgleich mit Hilfe eines veränderbaren Kondensators verzichtet werden, kann der Nullpunkt der Differenzspannung auch dadurch eingestellt werden, daß zwei der Gleichrichtelemente mit ihrem einen Anschluß nicht am Referenzpotential, zum Beispiel Masse, angeschlossen werden, sondern jeweils an eine Referenzspannungsquelle, deren Wert so eingestellt wird, daß sich am Ausgang die gewünschte Differenzspannung Ud, nämlich meist Null, einstellt. Werden die beiden Referenzspannungen derart von der Brückenversorgungsspannung ubr abgeleitet, dass zwischen der jeweiligen Referenzspannung und der Brückenversorgungsspannung ubr ein linearer Zusammenhang besteht, so

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wirkt sich eine Änderung der Brückenversorgungsspannung ubr nicht auf die Brückendiagonalspannung Ud - und damit auf den Abgleich - aus.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen kapazitiven

Brückenschaltung mit Auswertung
Figur 2 das Prinzipschaltbild der Figur 1 ergänzt um je einen Tiefpaß vor den Gleichrichtern

Figur 3 ein Prinzipschaltbild, in welchem die Gleichrichterdioden durch Schalter ersetzt sind

Figur 4 a, b, c das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Gleichrichterdioden durch zwei zusammengehörende gleichrichtende Schalter bzw. das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Schaltern durch jeweils einen Umschalter

Figur 5 ein Prinzipschaltbild zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung mittels zweier Referenzspannungsquellen Figur 6 der Einsatz von Dioden mit der Schwellenspannung Uf als Gleichrichtelemente in Figur 5

Figur 7 eine Möglichkeit zum Erzeugen der Referenzspannung durch Gleichrichtung der Brückenspeisespannung und zweier Spannungsteiler

Figur 8 die Schaltung der Figur 7 erweitert um N5,N6, R8, ClO und Uv zum Nachweis dafür, dass die gleichgerichtete Spannung UgI von der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden unabhängig ist Figur 9 ein weiteres Prinzipschaltbild einer Brückenschaltung mit je einer Kapazität in der einen Brückenhälfte und je einem ohmschen Widerstand in der anderen Brückenhälfte und

Figur 10 einen prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven Näherungsschalters mit der Bildung der Kapazitäten eines Brückenzweiges durch verschiedene Lagen einer Mehrlagenplatine in Kombination mit ihrer Umgebung.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Klarstellung werden die folgenden Begriffe verwendet: "Brückenhälfte" bedeutet - in den Figuren zeichnerisch - die linke bzw. rechte Seite bzw. Hälfte der Brücke, mit "Brückenzweig" ist der Schaltungsteil zwischen zwei Schaltungsknoten bezeichnet, so dass eine Brücke zwei "Hälften" und vier "Zweige" bzw. "Brückenzweige" besitzt.

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Die Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen kapazitiven elektrischen Brückenschaltung, wie sie zum Aufbau eines kapazitiven Näherungsschalters verwendet werden kann, bestehend aus einer Brücke mit je einer Kapazität Cl, C2, C3 und C4 in jedem Brückenzweig; die Kapazität Cl ist veränderbar. Die Brücke wird gespeist durch die Brückenspeisespannung ubr, welche eine Wechselspannung ist; das Bezugspotential ist Masse GND.

Die beiden Brückenzweigspannungen ucl und uc3 aus den beiden Brückenhälften werden getrennt nach dem jeweiligen Brückenzweig mittels Dioden N2, Nl bzw. N4, N3 in den Diagonalspannungspfaden DSpI und DSp2 gleichgerichtet und mittels Kondensatoren C5, C6 sowie Widerständen Rl und R2 jeweils gegen Masse geglättet, wonach die Brückendiagonalspannung Ud als sich entsprechend der Änderung der Kapazität Cl ändernde Gleichspannung ausgewertet wird. Somit wird die Brückendiagonalspannung der Diagonalspannungspfade DSpI und DSp2 erst nach Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen ucl und uc3 als Differenzspannung Ud gewonnen, d.i. nach Figur 1 als gleichgerichtete Spannung Ud aus Udiff+-

Figur 2 zeigt das Prinzipschaltbild der Figur 1 ergänzt um je ein Tiefpaßfilter in jedem Brückenzweig vor den Gleichrichtern N2, Nl, N4, N3 zur Unterdrückung von eingekoppelten Störungen, gebildet durch die in den Diagonalspannungspfaden DSpI und DSp2 angeordneten Widerstände R3 und R4 zum Auskoppeln der beiden Brückenzweigspannungen ucl und uc3 sowie die Kondensatoren C7, C8. Die Kapazitäten C7 und C8 der Tiefpaß-Filter R3-C8 sowie R4-C7 können auch durch die parasitären Kapazitäten der Elemente der Gleichrichter N1,N2,N3,N4, gebildet werden.

Figur 3 zeigt ein weiteres Prinzipschaltbild, in welchem die Gleichrichterdioden durch elektronische Schalter S2, Sl bzw. S4, S3 ersetzt sind. Die beiden Schalter S2, S4 in den jeweiligen Auskopplungsleitungen der Brückenzweige werden durch die Steuerspannung Ust2, die beiden gegen Masse gelegten Schalter Sl, S3 durch die Steuerspannung Ustl angesprochen und geschlossen sowie geöffnet. Die Schalter werden paarweise gegenphasig angesteuert. Auch bei der Verwendung von Schaltern und Tiefpässen können die Kapazitäten der jeweiligen Tiefpaß-Filter durch die parasitären Kapazitäten der Elemente der Schalter Sl, S2; S3, S4 gebildet werden. Figur 4 a, b, c zeigt das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Gleichrichterdioden durch zwei zusammengehören-

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de gleichrichtende Schalter bzw. das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Schaltern durch jeweils einen Umschalter.

Figur 5 zeigt ein Prinzipschaltbild zum beispielsweise Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung Ud mittels zweier Referenzspannungsquellen Urefl und Uref2. Zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung Ud sind zwei der Gleichrichtelemente - Diode oder Schalter - mit ihrem einen Anschluß nicht auf Masse, sondern jeweils an eine Referenzspannungsquelle Urefl, Uref2 angeschlossen, deren Bezugspotential Masse GND ist. Die Werte der Referenzspannungsquelle Urefl, Uref2 werden so eingestellt, daß sich am Ausgang die gewünschte Brückendiagonalspannung Ud einstellt.

Figur 6 zeigt den Einsatz von Dioden als Gleichrichtelemente in Figur 5, wobei die Dioden die Schwellenspannung Uf aufweisen. Dann ergeben sich die folgenden Zusammenhänge:

Ud = Ul - U2

Die kapazitiven Spannungsteiler der beiden Brückenzweige schwächen das Signal ubr um den Faktor k bzw. k¹ ab. Sind die Kathoden zweier Gleichrichterdioden am Referenzpotential, Masse, angeschlossen, d.h. wenn Uref 1 = Uref 2 = 0 ist, erhält man nach dem Gleichrichten die Spannungen

Ul = k ubr -2Uf bzw. U2 = k'uBr-2Uf

Dabei ist ubr der Spitze-Spitze-Wert der Brückenspeisespannung. Werden hingegen die Dioden kathodenseitig jeweils an eine von Null verschiedene Referenzspannung angeschlossen erhält man

Ul = k ubr -2Uf +Urefl bzw. U2 = k¹ ubr - 2Uf + Uref2

Man erhält dann für die Differenzspannung Ud:
Ud = Ul - U2 = k ubr - 2Uf + Urefl - k¹ ubr + 2Uf - Uref2

= ubr (k - k¹) + Urefl - Uref2

Daraus ist erkennbar, daß für k¹ = k und Uref2 = Urefl die Spannung Ud zu Null wird und zwar unabhängig von der Größe der Brückenspeisespannung ubr. Sind k und k¹ jedoch betragsmäßig verschieden, ergibt sich eine von Null verschiedene Differenzspannung Ud. Durch geeignete Wahl von Urefl bzw. Uref2 kann die Differenzspannung Ud zwar zu Null gemacht werden. Ein Nachteil besteht jedoch noch darin, daß der beschriebene Nullabgleich von der Brückenspannung ubr abhängt. In diesem Fall wäre es daher nötig, die Ampli-

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tude der Spannung ubr stabil zu halten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Temperaturänderungen in der Regel nur mit erheblichem Aufwand möglich.

Zur Herstellung des vorbeschriebenen Nullabgleichs unabhängig von der Brückenspannung ubr zeigen deshalb die Figuren 7 und 8 Weiterbildungen von Schaltungen zum Erzeugen der Referenzspannung durch Gleichrichtung der Brückenspeisespannung und zweier Spannungsteiler. Hierzu werden die beiden Referenzspannungen Urefl und Uref2 von der Brückenspeisespannung ubr am Schaltungspunkt A, Figuren 6 und 7, abgeleitet und zwar in der Form, daß zwischen der Amplitude der Brückenspannung und der jeweiligen Referenzspannung ein linearer Zusammenhang besteht. Für die beiden Referenzspannungen gilt dann:

Urefl = &rgr; ubr bzw. Uref2 = p' ubr

Für die Differenzspannung Ud ergibt sich dann:

Ud = ubr (k' - k) + p¹ ubr - &rgr; ubr = ubr (k¹ - k + p' - p)

Werden p' und &rgr; so gewählt, so daß gilt:

k'-k = p-p'

so wird die Differenzspannung Ud unabhängig von der Amplitude der Brückenspannung ubr zu Null. Eine einfache Möglichkeit zum Erzeugen der Referenzspannung gemäß der vorstehenden Beziehung besteht darin, die Brückenspannung ubr gleichzurichten und mit Hilfe je eines Spannungsteilers auf den gewünschten Wert einzustellen, was eben in Figur 7 gezeigt ist.

Figur 8 zeigt eine Schaltung, in der die gleichgerichtete Spannung UgI auch von der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden unabhängig ist. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden ist die gleichgerichtete Brückenspannung ebenfalls temperaturabhängig.

Für die gleichgerichtete Spannung UgI gilt: UgI = ubr - 2Uf

Schließt man die Kathode der Gleichrichterdiode nicht am Referenzpotential, nämlich Masse, sondern an ein Potential der Höhe 2Uf an, so vereinfacht sich die Gleichung zu: UgI = ubr
Die gleichgerichtete Spannung ist somit unabhängig von Uf.

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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Schaltung auch mit einer Brücke aufgebaut werden, welche aus zwei Kapazitäten und zwei Widerständen in jedem Brückenzweig besteht, was prinzipiell in Figur 9 gezeigt ist. Dort ist eine kapazitive Brückenschaltung mit je einer Kapazität Cl und C2 sowie je einem 5 ohmschen Widerstand R9, RIO in jedem Brückenzweig dargestellt. In der mit den Widerständen R9, RIO aufgebauten Brückenhälfte muß die entsprechende Brückenzweigspannung über einen Kondensator CIl ausgekoppelt werden, ansonsten entspricht die Brücke der vorbeschriebenen Figur 1.

Die beschriebene Schaltungsandordnung ist in besonderer Weise zum Aufbau des kapazitiven Näherungsschalters geeignet zur Detektion eines sich nähernden oder entfernenden Gegenstandes 15, zum Beispiel ein solcher aus nichtleitenden oder schlechtleitenden Kunststoff oder aus einem sonstigen Material oder auch aus Metall, wie eine flächige Scheibe.

Figur 10 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines derartigen kapazitiven Näherungsschalters, welcher eine Hälfte der Brücke repräsentiert, mit der Bildung von Kapazitäten eines Brückenzweiges durch verschiedene Lagen einer flächigen Mehrlagenplatine 10 in Kombination mit ihrer Umgebung.

Die Mehrlagenplatine 10 besteht aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten 13, 14, zwischen denen eine elektrisch leitfahige Zwischenlage 11, zum Beispiel eine metallische Zwischenlage, als erste Fläche eines Kondensators sich befindet. Auf einer der beiden Schichten 13 bzw. 14, nämlich hier auf der oberen Schicht 13, ist eine flächige, ebenfalls elektrisch leitfähige Auflage als Sonde 12 aufgebracht, die die zweite Fläche des Kondensators bildet. Diese Sonde 12 kann einen Kondensator gegen Erde bilden mit Luft als Dielektrikum. Ist der sich nähernde oder entfernende Gegenstand aus Kunststoff, vorzugsweise mit einer kleinen Dielektrizitätszahl, so verändert dessen spezifische Dielektrizitätszahl die Kapazität des aus Sonde 12 gegen Erde gebildeten Kondensators, so dass diese Kapazitätsänderung durch die Schaltung gemessen werden kann.

Der flächige Gegenstand 15, der relativ zur Sonde 12 beweglich angeordnet ist, bildet somit mit dieser einen zweiten flächigen, veränderbaren Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit zum Beispiel dem spezifischen Dielektrikum des Gegenstandes oder Luft als Dielektrikum. Der Gegenstand 15 kann mittels einer Leitung 17 auch geerdet sein. Der Gegenstand 15 zusammen mit der

Sonde 12 bilden die eine Kapazität der einen Brückenhälfte, die Sonde 12 und die metallische Schicht 11 bilden die zweite Kapazität derselben Brückenhälfte; dieser Aufbau repräsentiert die eine Hälfte der Brücke. Auf der der Sonde 12 entgegengesetzten Seite der Mehrlagenplatine 10, somit auf der unteren elektrisch isolierenden Schicht 14, sind weitere elektrische Bauelemente 16 aufgebracht.

Durch den in Figur 10 dargestellten Aufbau ergibt sich eine unterschiedlich große Änderung der Brückendiagonalspannung Du, je nachdem, von welcher Seite sich ein Gegenstand, zum Beispiel der flächige Gegenstand 15, an die Mehrlagenplatine 10 annähert. Somit kann eine Platinenseite als Sonde fungieren, nämlich hier die obere Seite mit der elektrisch leitfähigen Sonde 12, wohingegen die andere Platinenseite, hier die Schicht 14, gegenüber einer Annäherung des Gegenstandes, zum Beispiel der flächige Gegenstand 15, unempfindlich ist, selbst dann, wenn dieser geerdet ist.

Die Kondensatorfläche,.gebildet durch die elektrisch leitfähige Zwischenlage 11, kann auch durch einen diskreten Kondensator ersetzt sein, welcher mit einem Anschluß an die Sonde 12 angeschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich jedoch eine nahezu gleich große Änderung der Brückendiagonalspannung Ud, egal von welcher Seite sich ein Gegenstand dem Sensor 12 annähert oder entfernt. Eine Zwischenlage oder Abschirmung, wie zum Beispiel die elektrisch leitfahige Zwischenlage 11, sollte daher immer dann vorgesehen werden, wenn der Näherungsschalter in seinem Dickenaufbau dünner als sein Beeinflussungsbereich ist.

Es ist damit auf einfache und kostengünstige Weise möglich, kapazitive Näherungsschalter in flacher Bauform zu fertigen, die auch auf ein geerdetes Metallteil montiert werden können.

Der Gegenstand der Erfindung ist insbesondere zum Einsatz als hochempfindlicher kapazitiver Näherungsschalter zur Detektion isolierender oder leitender Stoffe geeignet. Die Nützlichkeit des erfindungsgemäßen Näherungsschalters liegt insbesondere darin, dass derselbe auf der einen Seite gegen die Annäherung eines Gegenstandes hochempfindlich, jedoch auf der gegenüberliegenden Seite gegen eine solche Annäherung praktisch unempfindlich ist.

Claims

1. Kapazitiver Näherungsschalter mit einer elektrischen Brückenschaltung zur Detektion eines sich nähernden oder entfernenden Gegenstandes (15), welcher Teil eines Kondensators (z. B. C1) der Brückenschaltung ist, zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen, wobei in den Brückenzweigen der Brückenschaltung sich als weitere Blindwiderstände wenigstens ein Kondensator (C1, C2, C3, C4) und gegebenenfalls wenigstens ein Widerstand (R9, R10) befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung (ubr) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe aus einer flächigen Mehrlagenplatine (10) aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten (13, 14) besteht, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Zwischenlage (11) als erste Fläche eines Kondensators sich befindet und auf einer der beiden Schichten (13, 14) eine flächige, elektrisch leitfähige Auflage als Sonde (12) aufgebracht ist, die die zweite Fläche des Kondensators bildet, wobei der Gegenstand (15) relativ zu der Sonde (12) beweglich angeordnet ist und mit dieser einen zweiten flächigen, veränderbaren Kondensator bildet, und daß Gegenstand (15) und Sonde (12) die eine Kapazität und Sonde (12) und elektrisch leitfähige Zwischenlage (11) die zweite Kapazität einer der beiden Brückenhälften bilden und dieser Aufbau die eine Hälfte der Brücke repräsentiert, und dass zur Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte Gleichrichter an den Diagonal-Spannungspfaden (DSp1, DSp2) angeordnet sind zur Auswertung der Brückendiagonalspannung (Ud) erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) als entsprechend der Kapazitätsänderung des veränderbaren Kondensators sich ändernde Gleichspannung.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte entweder durch Dioden (N1, N2, N3, N4) oder durch gesteuerte Schalter (S1, S2, S3, S4), vorzugsweise jeweils vier, als Gleichrichter gleichgerichtet werden, wobei bei der Verwendung von Schaltern (S1, S2, S3, S4) diese synchron mit der Brückenspeisespannung (ubr) paarweise gegenphasig angesteuert und synchron mit der Brückenspannung von einem Schaltzustand in den anderen umgeschaltet werden.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von eingekoppelten Störungen vor die Gleichrichter (N1, N2, N3, N4, bzw. S1, S2, S3, S4) der Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) je ein Tiefpaß-Filter (R3, C8 und R4, C7) geschaltet ist.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der Tiefpaß-Filter (C8 bzw. C7) durch die parasitären Kapazitäten der Gleichrichter-Elemente (N1, N2, N3, N4 bzw. S1, S2, S3, S4) gebildet sind.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter zur Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) zwei Umschalter (W1, W2) eingesetzt sind.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Sonde (12) entgegengesetzten Seite der Mehrlagenplatine (10), auf der unteren elektrisch isolierenden Schicht (13, 14), weitere elektrische Bauelemente (16) aufgebracht sind.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die elektrisch leitfähige Zwischenlage (11) gebildete Kondensatorfläche durch einen diskreten Kondensator ersetzt ist, welcher mit einem Anschluß an die Sonde (12) angeschlossen ist.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Hälfte der Brücke aus je einem Kondensator (C1, C2) und die andere Hälfte der Brücke aus je einem Widerstand (R9, R10) besteht.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Störfestigkeit die Dioden (N1, N2, N3, N4) langsame Dioden sind.

10. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Brückenspeisespannung (ubr) und damit auch die des Umschaltsignals laufend veränderbar ist.

11. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleichen der Brücke und Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung (Ud) einer der Kondensatoren (C2, C3, C4) in einem der Brückenzweige im Schaltpunkt des Näherungsschalters so veränderbar ist, dass im Schaltpunkt des Näherungsschalters die Brückendiagonalspannung (Ud) gleich Null ist und lediglich das Vorzeichen der Brückendiagonalspannung (Ud) ausgewertet zu werden braucht.

12. Näherungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung (Ud) zwei der Gleichrichtelemente (N1, N2, N3, N4, bzw. S1, S2, S3, S4) mit ihrem einen Anschluß jeweils an eine Referenzspannungsquelle (Uref1, Uref2) angeschlossen sind, deren jeweiliger Wert so eingestellt ist, daß sich am Ausgang die gewünschte Brückendiagonalspannung (Ud) von Null Volt (0 V) einstellt.

13. Näherungsschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleichen der Brücke die beiden Referenzspannungen (Uref1, Uref2) aus der Brückenspeisespannung (ubr) derart abgeleitet sind, dass zwischen der Amplitude der Brückenspeisespannung (ubr) und der jeweiligen Referenzspannung (Uref1, Uref2) ein linearer Zusammenhang besteht.

14. Näherungsschalter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Referenzspannungen (Uref1, Uref2) die Brückenspeisespannung (ubr) gleichgerichtet und mit Hilfe je eines Spannungsteilers auf die gewünschten Werte eingestellt ist.