DE3320509A1

DE3320509A1 - Elektronischer naeherungsschalter

Info

Publication number: DE3320509A1
Application number: DE19833320509
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Ing. 5226 Reichshof Jacob; Helmut 5270 Gummersbach Schmidt
Original assignee: Pulsotronic Merten GmbH and Co KG
Current assignee: Pulsotronic Merten GmbH and Co KG
Priority date: 1983-06-07
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1984-12-13
Anticipated expiration: 2003-06-08
Also published as: DE3320509C2

Description

Elektronischer Näherungsschalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Näherungsschalter mit einem Oszillator, der einen parallelgeschalteten LC-Schwingkreis aufweist, dessen Induktivität (Spule) als Sensor-Fläche für eine Steuerfahne aus Metall ausgebildet ist, die bei Annäherung dem Oszillator Energie entzieht, was zu einer Amplitudenänderung der Oszillatorschwingung führt, und die gleichgerichteteOszillator-Spannung einen dem Oszillator nachgeschalteten Schwellwert-Schalter, z.B. Schmitt-Trigger, betätigt, der einen elektronischen Lastschalter, z.B. Thyristor oder Triac, steuert.
Bei Näherungsschaltern wird vorwiegend ein Hartley-Oszillator verwendet. Ein derartiger Näherungsschalter ist durch die DE-PS 28 29 880 bekannt. Dieser Oszillator besteht aus einem LC-Parallelschwingkreis, dessen Induktivität als Sensorspule ausgebildet ist. Der hochohmige Punkt des Schwingkreises ist über eisen als Diode geschalteten Transistor mit der Basis des Oszillator-Transistors verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand an einer Anzapfung der Schwingkreis-Spule und dessen Kollektor an Betriebsspannung liegt. Der niederohmige Punkt des Schwingkreises ist über einen Stromauswerte-Widerstand mit Masse verbunden. Parallel zum Stromauswerte-Widerstand liegt ein Sieb-Kondensator.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist folgende: Solange die Steuerfahne den Ansprech-Abstand der aktiven Fläche noch nicht erreicht hat, ist die Kreisverstärkung K V des Oszillators größer als 1 und er schwingt. Erreicht die Steuerfahne einen vorgegebenen Abstand, so führt' nehmende Bedämpfung des Oszillators zu einer Verringerung der Kreisverstärkung K V, V, so daß diese schließlich einen Wert kleiner als 1 annimmt und der Oszillator nicht mehr schwingt.
Der Lastschalter ist, abhängig vom Schwingungszustand des Oszillators, leitend oder nichtleitend.
Dieser bekannte Oszillator ist in seinem Ansprechverhalten stark abhängig von den Bauelemente-Streuungen sowie den Umgebungsbedingungen, wie z.B. Transistorparametern und Temperatur. Das hat zur Folge, daß die Steilheit, d.h. die Änderung der Auswerte-Spannung, bei Änderung der Bedämpfung der Sensorspule des Oszillators bei einer Serienfertigung nur mit großem Aufwand reproduzierbar ist. Transistoren-Paare müssen selektiert werden.
Der bekannte Oszillator hat ferner eine relativ hohe Stromaufnahme. In der Praxis liegt der Grenzwert bei ca. 1 mA.
Unterhalb dieses Grenzwertes ist die Abhängigkeit des Auswerte-Signals von der Bedämpfung nicht mehr kontinuierlich, d.h. der Oszillator beginnt Hysterese-Verhalten aufzuweisen.
Um die genannten Umwelt-Bedingungen und -Veränderungen auszuschließen, wird durch die DE-AS 20 52 989 vorgeschlagen, daß die Ausgangsgröße des Oszillators durch einen Regler konstant gehalten wird, der bei Überschreiten einer vorgegebenen Änderungsgeschwindigkeit der Oszillator-Ausgangsgröße nicht wirksam ist. Die Amplitude der Oszillator-Schwingung wird gegen alle Änderungen der Umwelt-Bedingungen, insbesondere Temperatur-Schwankungen, vom Regler konstant gehalten.
Dabei wird die Zeitkonstante des Reglers mit Hilfe des Zeitgliedes so gewählt, daß die schnellsten zu erwartenden Änderungen der Umwelt-Bedingungen gerade ausgeregelt werden können. Die Amplitude der Oszillator-Schwingung wird mit einem Sollwert verglichen. Bei einer festgestellten Abweichung wird die Amplitude durch den Regler über das Zeitglied mittels eines Stellgliedes wieder auf den Sollwert zurückgeführt.
Durch die Annäherung einer Steuerfahne wird der Oszillator mit so großer Geschwindigkeit bedämpft, daß der der Zeitkonstante entsprechende Wert überschritten wird und die Schwin- gung abreißt.
Durch die DE-OS 21 57 824 wird eine ähnliche Anordnung vorgeschlagen, bei der der Oszillator durch einen Regelkreis im Zustand kritischer Kopplung gehalten wird, d.h. bei der die Kreisverstärkung K V = 1 ist.
Durch die DE-PS 19 66 213 ist ein anderer Oszillator bekanntgeworden, der einen in Emitter-Schaltung betriebenen Transistor aufweist, dessen Emitter-Widerstand der Kanalstrecke eines Feldeffekt-Transistors parallelgeschaltet ist, wobei die gleichgerichtete Oszillator-Spannung auf das Gate des Feldeffekt-Transistors geschaltet ist. Es ist also über die vorstehend beschriebenen Ausführungen ebenfalls eine Regelung wirksam, die die Oszillator-Spannung annähernd konstant hält.
Mit einem geregelten Oszillator lassen sich nicht nur die Umwelt-Bedingungen und -Veränderungen kompensieren, sondern es läßt sich die Ansprech-Empfindlichkeit erhöhen, wobei das Ausgangssignal des Oszillators eine annähernd lineare Funktion der Bedämpfung darstellt.
Durch die DE-OS 29 10 491 ist ein induktiver Annäherungsschalter bekanntgeworden, dessen Oszillator-Schaltung zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals mit einem konstanten Versorgungsstrom gespeist wird. Die Stromquelle ersetzt hier den Auswerte-Widerstand. Die Stromaufnahme des Oszillators ist jedoch relativ hoch.
Schließlich ist durch die DE-OS 17 62 565 ein elektronischer Annäherungsschalter bekanntgeworden, der zur Errequng des Schwingkreises des Oszillators einen Generator zur Erzeugung schmaler Tastimpulse aufweist, deren Wiederholfrequenz wesentlich kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
Erst wenn die Schwingungen des Schwingkreises weitgehend abgeklungen sind, regt ein neuer Tastimpuls einen neuen Schwingungsvorgang an. Durch diese Ausbildung soll ein relativ großer Schaltabstand und eine hohe Ansprechempfindlichkeit erreicht werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Näherungsschalter der eingangs näher gekennzeichneten Art zu schaffen, dessen Oszillator eine sehr geringe Stromaufnahme und eine direkte Proportionalität der Schwingamplitude zum Resonanz-Widerstand des Schwingkreises aufweist, sowie eine weitgehende Unabhängigkeit des Auswerte-Signals von Streuwerten und Toleranzen der Bauelemente.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches aufgeführten Maßnahmen gelöst.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des Näherungsschalters besteht darin, daß die Amplitude der Oszillator-Schwingung nur durch den Resonanz-Widerstand des Schwingkreises und den Wert des Stromes der Stromquelle bestimmt wird.
Sie läßt sich durch einen einfachen Steuervorgang einstellen.
Im Gegensatz dazu wird bei den bekannten Näherungsschaltern die Amplitude der Oszillator-Schwingung durch einen Regelvorgang bestimmt, dessen Parameter von den Streuwerten und Temperatur-Driften der verwendeten Bauelemente abhängen. Zur Anregung der Oszillator-Schwingung muß die schaltbare Konstant-Stromquelle im richtigen Zeitpunkt eingeschaltet werden.
Das ist dann der Fall, wenn die Oszillator-Schwingung durch den Nullpunkt geht.
Dadurch, daß der Stromwert der schaltbaren Stromquelle gemäß Anspruch 2 extern einstellbar ist, läßt sich die Stromaufnahme des Oszillators ohne die genannten Nachteile auch auf sehr kleine Werte einstellen. Beispielsweise läßt sich in der Praxis auf diese Weise ein funktionsfähiger Oszillator mit einer Stromaufnahme von 50 ßA herstellen. üblich sind bisher Werte in der Größenordnung von 1 mA.
Der Vorteil nach Anspruch 3 besteht darin, daß je nach verwendeter Schaltungstechnologie die Umschaltung der Stromrichtung relativ einfach ist. Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 läßt sich vorteilhaft in IC-Technologie verwirklichen.
Der Vorteil nach Anspruch 4 besteht darin, daß der ScHattungsv aufwand für die schaltbare Stromquelle bei Realisierung in diskreter Technik relativ gering ist.
Gemäß Anspruch 5 wird die Hochfrequenz dem Gleichrichter zugeführt, wodurch ein Hochpaß entsteht, der 50 Hz bzw. 100 Hz Brummstörungen vom Gleichrichter fernhält.
Der Vorteil nach Anspruch 6 besteht darin, daß die schaltbare Konstantstromquelle und der Null-Komparator als integrierte Schaltung in einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet sind.
Gemäß Anspruch 7 läßt sich für den Null-Komparator und die Stromquelle ein emittergekoppelter Oszillator verwenden.
Nachfolgend sind anhand der Zeichnung drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild des Näherungsschalters, Figur 2 ein Schaltbild des Oszillators des Näherungsschalters, Figur 3 ein Schaltbild eines emittergekoppelten Oszillators.
Der elektronische Näherungsschalter nach Figur 1 der Zeichnung besteht aus einem Oszillator 3, einem dem Oszillator 3 nachgeschalteten Gleichrichter 4, einem Schwellwert-Schalter (Schmitt-Trigger) 5, einem Last-Schalter (Thyristor oder Triac) 6 und einer Stromversorgung 7 für den Oszillator 3 und die nachgeschalteten Baugruppen 4,5,6,7.
Der Oszillator 3 besteht aus einem parallelgeschalteten LC-Schwingkreis 8, dessen Spule als Sensor-Fläche für eine nicht dargestellte Steuerfahne aus Metall ausgebildet ist. Der Oszillator 3 enthält ferner eine an dem hochohmigen Punkt "A" des Schwingkreises 8 angeschlossene schaltbare Stromquelle (Konstantstromquelle) 9 und einen, mit seinem hochohmigen Eingang an Punkt "A" des Schwingkreises 8 und mit seinem Ausgang an den Steuereingang der schaltbaren Stromquelle 9 angeschlossenen.Null-Komparator 10. Der Stromwert der schalt- baren Stromquelle 9 ist durch den einstellbaren Widerstañd extern einstellbar.
Die schaltbare Stromquelle 9 wird mit der Frequenz der Oszillator-Schwingung geschaltet und regt den Schwingkreis 8 des Oszillators an. Sie ist in beiden oder nur in einer Halbwelle der Oszillator-Schwingung wirksam. Der Gleichrichter 4 ist über einen Kondensator 12 an Punkt "A" des Schwingkreises angeschlossen. Der Ausgang des Gleichrichters 4 ist mit dem Eingang des Schwellwert-Schalters 5 verbunden, der den Last-Schalter 6, z.B. Thyristor oder Triac, steuert. Der Kondensator 12 hat eine geringe Kapazität, um die Belastung des Schwingkreises möglichst gering zu halten.
Die Figur 2 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Oszillators mit einem Operations-Transkonduktanz-Verstärker (OTA) 13. Dieser übernimmt hier die Funktion der Stromquelle und des Null-Komparators. In dem Fall sind die geschalteten Ströme gleich und gegensinnig. Die weitere Schaltung entspricht der Figur 1 und ist hier nicht dargestellt.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 der Zeichnung besteht der Null-Komparator 10 und die schaltbare Stromquelle 9 aus einem emittergekoppelten Oszillator 16 mit den beiden Transistoren T 1 und T 2. Die Emitter sind miteinander verbunden und über einen einstellbaren, vorzugsweise hochohmigen, Widerstand 17 an einen Pol der Versorgungsspannung angeschlossen. Der Kollektor von T 1 sowie die Basis von T 2 sind mit dem anderen Pol derselben Spannungsquelle verbunden.
Der Kollektor von T 2 dient als Stromquelle, welche den Schwingkreis 8,16 anregt. Die Basis von T 1 ist mit dem Punkt "A" des Schwingkreises verbunden und bildet den hochohmigen Null-Komparator-Eingang, der ein Schalten des Stromes der Stromquelle bewirkt.

Claims

Patentansprüche: Elektronischer Näherungsschalter mit einem Oszillator, der einen parallelgeschalteten LC-Schwingkreis aufweist, dessen Induktivität (Spule) als Sensor-Fläche für eine Steuerfahne aus Metall ausgebildet ist, die bei Annäherung dem Oszillator Energie entzieht, was zu einer Amplitudenänderung der Oszillatorschwingung führt, und die gleichgerichtete Oszillator-Spannung einen dem Oszillator nachgeschalteten Schwellwert-Schalter, z.B. Schmitt-Trigger, betätigt, der einen elektronischen Lastschalter, z.B. Thyristor oder Triac, steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (3) eine an den hochohmigen Punkt "A" des Schwingkreises (8,15) angeschlossene umschaltbare Stromquelle (9,13) und einen mit seinem hochohmigen Eingang an den Punkt "A" des Schwingkreises (8,15) und mit seinem Ausgang an den Steuereingang der umschaltbaren Stromquelle angeschlossenen elektronischen oder Schalter zu Differenzverstärker, z.B. Null-Komparator (10,13) aufweist, daß die umschaltbare Stromquelle (9,13) mit der Frequenz der Oszillatorschwingung geschaltet und der Schwingkreis (8,15) des Oszillators durch die geschaltete Stromquelle (9,13) angeregt wird, wobei die Umschaltung von der Phase der Oszillator-Schwingung gesteuert ist.
2.) Elektronischer Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwerte der umschaltbaren Stromquelle (9,13) extern einstellbar sind.
3.) Elektronischer Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwerte der umschaltbaren Stromquelle (9,13) gleiche Beträge und gegensinnige Stromflußrichtungen aufweisen.
4.) Elektronischer Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Stromwerte der umschaltbaren Stromquelle (9,13) Null ist.
5.) Elektronischer Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Gleichrichters (4) über einen Kondensator (12) an Punkt "A" des Schwingkreises (8,15) angeschlossen ist.
6.) Elektronischer Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Stromquelle (9) und der Null-Komparator (10) als Operations-Transkonduktanzverstärker (OTA) ausgebildet sind.
7.) Elektronischer Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Null-Komparators (10) als Stromquelle ausgebildet ist.