DE3125925A1

DE3125925A1 - Capacitive proximity switch

Info

Publication number: DE3125925A1
Application number: DE19813125925
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael 7730 Villingen-Schwenningen Kohler
Original assignee: KOHLER HANS MICHAEL
Current assignee: KOHLER HANS MICHAEL
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1983-03-10

Abstract

Published without abstract.

Description

AM.: Hans-Michael Kohler, 7730 Villingen-Schwenningen Bez. Kapazitiver Annäherungsschalter Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungsschalter, bei dem eine Elektrode als kapazitiver Fühler in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten des sich in ihrer Nähe befindenden bzw. des sich ihr nähernden Mediums elektrische Veränderungen in einer zumindest quasischwingungsfähigen elektrischen Schaltungsanordnung erzeugt die als Kriterium in einer nachgeschalteten Schaltungsanordnung bestimmte Schaltzustände bewirkt.AM .: Hans-Michael Kohler, 7730 Villingen-Schwenningen Bez. Kapazitiver Proximity switch The invention relates to a capacitive proximity switch, with one electrode as a capacitive sensor depending on the dielectric constant of the medium in its vicinity or of the approaching medium electrical Changes in an at least quasi-oscillatory electrical circuit arrangement generates the specified as a criterion in a downstream circuit arrangement Switching states caused.

Bei den bekannten kapazitiven Annäherungsschalter dieser Art wird in der Regel ein-Oszlllator verwendet, dessen, die eigene spezifische Schwingungsfrequenz bestimiende Kapazität durch Annäherung eines anderen Mediums bzw. durch Veränderung des Dielektrikums verändert wird und durch diese Veränderung bei Erreichen eines bestimmten gegebenenfalls voreinstellbaren Wertes ein Anechwingen des Oszillators mit seiner spezifischen Eigenfrequenz bewirkt. Dieses Anschwingen des Oszillators dient als Kriterium zur Erzeugung eines bestimmten Schaltzustandes in einer nachgeschalteten Schaltungsanordnung, die nur zwischen schwingen und nichtschwingen unterscheidet. Diese bekannten Annäherungsschalter besitzen eine zeitverzögert lange Ansprechzeit und sind deshalb nur für verhältnismäßig langsame Vorgänge verwendbar.In the known capacitive proximity switches of this type Usually an oscillator is used, its own specific oscillation frequency determining capacity through approach of another medium or through change of the dielectric is changed and through this change when a a certain value that can be preset, if necessary, causes the oscillator to start to oscillate with its specific natural frequency. This oscillation of the oscillator serves as a criterion for generating a certain switching state in a downstream Circuit arrangement, which only differentiates between vibrating and not vibrating. These known proximity switches have a long delayed response time and are therefore only considered to be proportionate slow processes can be used.

Bei speziellen Ausführungsformen ist maximal 1kHz, also Ansprechzeiten von einer tausendstel Sekunde zu erreichen.In special embodiments, the maximum is 1 kHz, i.e. response times reachable by a thousandth of a second.

Dabei ist Jedoch ein verhältnismäßig großer Schaltungsaufwand erforderlich. Ausserdem sind solche Schaltungsanordnungen störanfällig und es ist für solche Schaltungsanordnungen keine monolitische integrierte Schalttechnik anwendbar. Hinzu koxnt, daß die Fühlerelektrode und die Schaltung örtlich möglichst nahe beieinander liegen und konstruktiv und räumlich aufeinander abgestimmt sein müssen.However, this requires a relatively large amount of circuitry. In addition, such circuit arrangements are prone to failure and it is for such circuit arrangements no monolithic integrated switching technology applicable. In addition, the sensor electrode and the circuit are locally as close as possible and structurally and must be spatially coordinated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Annäherungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der in monolitischer integrierter Schalttechnik mit geringen Kosten herstellbar ist, der eine sehr geringe Ansprechzeit auiweist, der vielfach einsetzbar mit kleinen Abmessungen realisierbar und sowohl auf kleine wie auf große Änderungen der das Schaltkriterium erzeugenden Veränderungen der Dielektrizitätskonstanten an der Fühlerelektrode abstimmbar ist.The invention is based on the object of a capacitive proximity switch of the type mentioned to create in monolithic integrated switching technology can be produced at low cost, which has a very short response time, which can be used in many ways with small dimensions and both on small such as large changes in the changes in the dielectric constant that produce the switching criterion is tunable on the sensor electrode.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Ausgang eines eingangsseitig an einer spezifischen Versorgungsspannung liegenden Schwellwertschalters Ueber ein Stromrichtglied auf dessen Eingang rückgekoppelt ist und daß dieser rückgekoppelte Eingang zugleich an einen kapazitiven, über eine Stromsenke entladbare Fühlerelektrode angeschlossen ist.This object is achieved according to the invention in that the output one on the input side to a specific supply voltage lying Threshold switch fed back to its input via a converter element is and that this fed back input at the same time to a capacitive, via a Current sink discharge sensor electrode is connected.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schwellwertschalter ein Operationsverstärker oder Komparator ist, an dessen negativem Eingang die Vergleichsspannung liegt und dessen zweiter positiver, über eine Diode vom Ausgang rückgekoppelter Eingang an die über die Stromsenke entladbare FUhlerelektrode angeschlossen ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the threshold switch is an operational amplifier or comparator, at whose negative input the comparison voltage and its second positive one, which is fed back from the output via a diode Input is connected to the sensor electrode that can be discharged via the current sink.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß der Schwellwertschalter aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor über ein Stromrichtglied auf einen basisseitigen Schwellwertwiderstand rückgekoppelt und zugleich auf die über die Stromsenke entladbare Fuhlerelektrode geschaltet ist.Another embodiment of the invention consists in that the threshold switch consists of a transistor whose collector is over a converter element fed back to a base-side threshold value resistor and at the same time it is connected to the sensor electrode which can be discharged via the current sink.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellwertschalters an eine Frequenzvergleichsschaltung mit einem eine bestimmte relative Impulslänge erzeugenden D-Flip»Flop als Endstufe mit zwei invertierten Ausgängen geschaltet ist.Another embodiment of the invention is characterized in that that the output of the threshold switch to a frequency comparison circuit with with a D-Flip »Flop generating a certain relative pulse length as the output stage two inverted outputs is switched.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß am Ausgang eines an den Ausgang des Schwellwertschalters angeschlossenen, digitalen Frequenzteilers zur Ansteuerung einer Anzeige oder einer Regelelektronik verwendbare EF-Rechtecksignale zur Verfügung stehen.Another advantageous embodiment of the invention consists in that at the output of one to the output of the threshold switch connected, digital frequency divider for controlling a display or control electronics usable EF square-wave signals are available.

Anhand der Zeichnung werden nun im folgenden zwei AusiUhrungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 Das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines kapazitiven Annäherungsschalters Fig. 2 Eine andere Ausführungsform eines kapazitiven Annäherungsschalters Fig. 3 Schematisch den zeitlich aufeinander abgestimmten inpulsartigen Spannungsverlauf am Ausgang eines Schwellwertschalters und den zeitlichen Verlauf des Ladezustandes der Fühlerelektrode Bei den in Fig. 1 dargestellten kapazitiven Annäherungsschalter ist ein Operationsverstärker i (oder Komparator) vorgesehen, dessen Ausgang a ueber eine Diode 2 auf den positiven Eingang rückgekoppelt ist, und an dessen negativem Eingang die an einem aus zwei Widerständen Ri und R2 bestehenden Spannungsteiler abgenommene Vezgleichsspannung Uv anliegt. An den rückgekoppelten positiven Eingang ist eine kapazitive Fühlerelektrode 3 angeschlossen, die über eine beispielsweise aus einem Widerstand R3 bestehende Stromsenke entladbar ist. In dieser Schaltungsanordnung arbeitet der Operationsverstärker 1 als Schwellwertschalter in iolgender Weise: Ausgehend von einem unterhalb eines bestimmten Schwelle wertes liegenden Ladungszustandes an der von einem Medium, z. B. Luft, mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstanten umgebenen Fühlerelektröde 3 und einer niedrigeren Spannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers t als am negativen Eingang, liegt am Ausgang a des Operationsverstärkers 1 die Spannung H (Fig. 3) an, was bedeutet, daß ueber die Diode 2 eine Aufladung der Fühlerelektrode 3 er iolgt. Diese Spannung H liegt am Ausgang a des Operation3 verstärkers 1 eo lange an, bis die FUhlerelektrode 3 nach Maßgabe der gerade vorhandenen Dielektrizitätskonstanten auf den Maximalwert L aufgeladen ist. Dieser Ladungs- und Entladungsverlauf ist in Fig. 3 durch die Linie A symbolisiert.With the aid of the drawing, two exemplary embodiments are shown below the invention explained in more detail. It shows: FIG. 1 the block diagram of a first Embodiment of a capacitive proximity switch Fig. 2 Another embodiment of a capacitive proximity switch Fig. 3 Schematically the chronologically one on top of the other coordinated pulse-like voltage curve at the output of a threshold switch and the time course of the state of charge of the sensor electrode. 1 shown capacitive proximity switch is an operational amplifier i (or Comparator) is provided, whose output a via a diode 2 to the positive input is fed back, and at its negative input that of one of two resistors Ri and R2 existing voltage divider applied DC voltage Uv. A capacitive sensor electrode 3 is connected to the positive input that is fed back, which can be discharged via a current sink consisting, for example, of a resistor R3 is. In this circuit arrangement, the operational amplifier 1 works as a threshold switch in the following way: Starting from a below a certain Threshold value lying state of charge at that of a medium, z. B. air, with a certain dielectric constant surrounded sensor electrode 3 and one lower voltage at the positive input of the operational amplifier t than at the negative Input, the voltage H is at output a of the operational amplifier 1 (Fig. 3) on, which means that the sensor electrode 3 is charged via the diode 2 i follows. This voltage H is at the output a of the Operation3 amplifier 1 eo long until the sensor electrode 3 according to the current dielectric constant is charged to the maximum value L. This charge and discharge curve is symbolized in Fig. 3 by the line A.

Ist dieser Zustand erreicht, so entlädt sich die FUhlerelektrode 3 über den Widerstand R3 und ihr Ladungszustand erreicht nach einer bestimmten Zeit t einen unteren Schwellwert S, bei dem der Ausgang a des Operationsverstärkers 1 wieder auf die SpannungshUhe H springt und sich der Aufladungsvorgang widerholt. Auf diese Weise wirkt der Operationsverstärker 1 als Schwellwertschalter.When this state is reached, the sensor electrode 3 is discharged across the resistor R3 and its state of charge reached after a certain time t a lower threshold value S at which the output a of the operational amplifier 1 jumps back to voltage level H and the charging process is repeated. In this way, the operational amplifier 1 acts as a threshold switch.

Wie in Fig. i dargestellt ist, ist der Ausgang a des Operationsverstärkers i auf einen digitalen Frequenzteiler 4 geschaltet, dessen Ausgang b über eine Diode 5 auf einen eine bestimmte Bezugsfrequenz liefernden Schwingkreis 6 geschaltet, der aus einem ein RC-Glied darstellenden Kondensator C und einem Abgleichwiderstand R 4 besteht. Ausserdem liegt der Ausgang b des digitalen Frequenzteilers über Diode 5 zugleich au Eingang D eines eine bestimmte relative Impuls länge lieiernden D-Flip-Flops geschaltet, dessen zweiter Eingang C uniittelbar mit dem Ausgang b des digitalen Frequenzteilers 4 verbunden ist.As shown in Fig. I, the output is a of the operational amplifier i connected to a digital frequency divider 4, whose output b via a diode 5 switched to an oscillating circuit 6 delivering a specific reference frequency, that consists of a capacitor C, which is an RC element, and a balancing resistor R 4 consists. Also lies the output b of the digital frequency divider Via diode 5 at the same time to input D of a certain relative pulse length D flip-flops switched, the second input C of which is directly connected to the output b of the digital frequency divider 4 is connected.

Der digitale Frequensteiler 4, der Schwingkreis 6 und das D-Flip-Flop stellen einen Frequenzvergleicher dar, der die Frequenz der am Ausgang a des Operationsverstärkers t auitretenden Rechteckimpulse als Sohaltkriterium nutzt und an den Anschlüssen al und a2 der beiden invertierten Ausgänge Q und Q' des D-Flip-Flop entsprechende Schaltsignale zur Verfügung stellt. Dabei kann durch eine vorgesehene Anschlußmöglichkeit z. B. in Form einer Steckerbuchse 7 der Ausgang b des digitalen Frequenzteilers 4, an dem ein symmetrisches HF-Rechtecksignal ansteht, dessen Frequenz von der Bedampfung durch die FUhlerelektrode 3 abhängig ist, zur Anxtcuerung einer Anzeige oder einer Regelelektronik genutzt werden.The digital frequency divider 4, the resonant circuit 6 and the D flip-flop represent a frequency comparator that determines the frequency of the output a of the operational amplifier the occurring square-wave pulses are used as a stopping criterion and at the connections al and a2 of the two inverted outputs Q and Q 'of the D flip-flop corresponding Provides switching signals. This can be done through a connection option provided z. B. in the form of a socket 7 of the output b of the digital frequency divider 4, to which a symmetrical RF square wave signal is present, the frequency of which is due to the vapor deposition by the sensor electrode 3 is dependent, for anxtcuerung a display or a Control electronics are used.

In der Fig. 2 ist ein vereinfachter kapazitiver Annäherungs-Schalter dargestellt, der lediglich aus einem Transistor T mit einen Basis-Schwellwertwiderstand R5 einem Vorwiderstand R6, einer Diode 8, einer Fühlerelektrode 3 und einem als Stromsenke dienenden Widerstand R3 besteht. Dabei ist der Kollektor c über die Diode 8 und den Schwellwertwiderstand R5 auf die Basis b des Transistors rückgekoppelt und zugleich auf die über den Widerstand R3 entladbare Fühlerelektrode 3 geschaltet.In Fig. 2 is a simplified capacitive proximity switch shown, which consists only of a transistor T with a base threshold value resistor R5 a series resistor R6, a diode 8, a sensor electrode 3 and one as Current sink serving resistor R3 exists. The collector c is across the diode 8 and the threshold value resistor R5 fed back to the base b of the transistor and at the same time connected to the sensor electrode 3, which can be discharged via the resistor R3.

Die Funktionsweise dieses Annäherungsschalters ist im Prinzip die gleiche wie vorstehend beschrieben. Bei beiden Ausführungsbeispielen, ändert sich mit der für die Fühlerelektrode 3 maßgebenden Dielektrizitätskonstanten, deren änderung beispielsweise durch Annäherung oder Berührung eines Gegenstandes erfolgen kann, die Auf lade- und Entladezeit un somit die am Ausgang a des Operationsverstärkers 1 bzw. am Transistor T anliegenden Impulsfrequenz, so daß sich an den beiden Ausgängen Q und Q' des D-Flip-Flops eine Änderung des Schaltzustandes bzw ein Schaltsignal ergibt. LeerseiteThe principle of operation of this proximity switch is as follows same as described above. In both embodiments, changes with the dielectric constant decisive for the sensor electrode 3, the change of which can take place, for example, by approaching or touching an object, the charging and discharging time un thus that at the output a of the operational amplifier 1 or the pulse frequency applied to the transistor T, so that at the two outputs Q and Q 'of the D flip-flop a change in the switching state or a switching signal results. Blank page

Claims

Claims 0 Capacitive proximity switch9 in which one electrode as a capacitive sensor depending on the dielectric constant of the itself electrical changes in the vicinity of or in the approaching medium generated in an at least quasi-oscillatory electrical circuit arrangement, the switching states determined as a criterion in a downstream circuit arrangement causes, characterized in that the output (a) of the input side at one specific reference voltage (Uv) lying threshold value switch via a converter element (2,8) is fed back to its input, and that this fed back input at the same time to a capacitive sensor electrode that can be discharged via a current sink (R3) (3) is connected.

2. Capacitive proximity switch according to claim 1, characterized in that that the threshold switch is an operational amplifier or comparator to which the negative input is the reference voltage (Uv) and its second, positive, Input fed back via a diode (2) from output (a) to the input via the current sink (R3) dischargeable sensor electrode (3) is connected.

3. Capacitive proximity switch according to claim 1, characterized in that that the threshold switch consists of a transistor (T) whose collector (c) Via a current rectifier (8) to a base-side threshold value resistor (R5) fed back and at the same time to the capacitive one that can be discharged via the current sink (R3) Sensor electrode (3) is switched.

4. Capacitive proximity switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the output (a) of the threshold switch to a Frequency comparison circuit with a generating a certain relative pulse length D flip-flop is connected as an output stage with two inverted outputs (Q, Q ').

5. Capacitive proximity switch according to claim 4, characterized in that that at output (b) one connected to output (a) of the threshold switch digital frequency divider (4) for controlling a display or control electronics Usable GF square-wave signals are available,