DE3401274A1 - Induktiver zweidraht-naeherungsschalter - Google Patents

Induktiver zweidraht-naeherungsschalter

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DE3401274A1
DE3401274A1 DE19843401274 DE3401274A DE3401274A1 DE 3401274 A1 DE3401274 A1 DE 3401274A1 DE 19843401274 DE19843401274 DE 19843401274 DE 3401274 A DE3401274 A DE 3401274A DE 3401274 A1 DE3401274 A1 DE 3401274A1
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oscillator
proximity switch
inductive
resistor
capacitor
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Withdrawn
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DE19843401274
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Hans 3302 Cremlingen Röder
Harald Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Schmidt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/95Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/952Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils
    • H03K17/9537Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils in a resonant circuit
    • H03K17/9542Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils in a resonant circuit forming part of an oscillator
    • H03K17/9547Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils in a resonant circuit forming part of an oscillator with variable amplitude
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
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    • H03K17/795Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling bipolar transistors
    • H03K17/7955Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling bipolar transistors using phototransistors

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Description

  • Induktiver Zweidraht-NaherunRsschalter
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Zweidraht-Näherungsschalter, dessen von außen beim Bedämpfen beeinflußbarer Oszillator vom schwingenden in einen nichtschwingenden Zustand übergeht, wobei die Gesamt-Stromaufnahme des Näherungsschalters auswertbar sinkt, mit einem in Emitterschaltung arbeitenden, durch einen Emitterwiderstand gegengekoppelten Oszillatortransistor.
  • Diese elektronischen Näherungsschalter werden seit vielen Jahren als Ersatz von mechanisch betätigten Schaltern in Meß-, Regel- und Steuerkreisen verwendet, beispielsweise auch in Anlagen der Eisenbahnsicherungstechnik. Aufgrund der robusten Aufbauweise haben sich derartige Näherungsschalter besonders als Schienenkopfkontakte für Gleisfreimelde- und Schaltaufgaben in Ablaufanlagen in hervorragender Weise bewährt. Sie gestatten ein berührungsloses Schalten, sie haben eine relativ hohe Betätigungsfrequenz und eine große Lebensdauer, da sie nahezu ohne Verschleiß, also unabhängig von der Anzahl der Schaltspiele, auch bei sehr unwirklichen Umwelteinflüssen, so z. B. bei hohen Stoßbelastungen, hervorragend arbeiten.
  • Das Funktionsprinzip eines derartigen bekannten induktiven Zweidraht-Näherungsschalters ist relativ einfach und beispielsweise in der DE-PS 29 15 110 näher beschrieben.
  • Die Näherungsschalter enthalten grundsätzlich einen LC-Oszillator in Meißner-, Hartley- oder Colpitts-Schaltung in Verbindung mit mehr oder weniger zusätzlichem Bauteileaufwand zum Realisieren spezieller Aufgabenstellungen. Mindestens ein Teil einer Oszillatorspule ist gegenüber der Umwelt so angebracht, daß passierende Metallteile eine Bedämpfung des Schwingkreises so weit erzielen können, daß die bis dahin vorhanden gewesenen Schwingungen des Oszillators aufhören. Dabei ändert sich die Stromaufnahme über eine die Energieversorgung übernehmende Zweidraht-Leitung, derart, daß an einer entfernt liegenden Stelle, von welcher auch die Stromversorgung ausgeht, die jeweilige Beeinflussung des Näherungsschalters durch Auswerten der eingetretenen anderen Stromaufnahme detektiert werden kann. Nach dem Entfernen des den Oszillator bedämpfenden Metallteiles setzen die Schwingungen bezüglich der Amplitude langsam exponentiell wieder an. Die Zeitkonstante dieses Vorganges ist um so größer, je empfindlicher die Schwingbedingung, also die Ansprechschwelle des Näherungsschalters, eingestellt ist. Dies führt jedoch zu Problemen bei der Erkennung schneller Vorgänge, so wie sie beim Einsatz eines Näherungsschalters als Radsensor für schnellfahrende Züge auftreten können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Zweidraht-Näherungsschalter der oben angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß beim Wiederanschwingen des Oszillators die Schwingungen mit besonders kurzer Zeitkonstante wieder exponentiell ansteigen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens wechselspannungsmäßig parallel zum Emitterwiderstand ein Kondensator und ein Widerstand über ein Halbleiterbauelement mit Vorzugsrichtung für den Strom geschaltet sind mit einer derartigen Polung, daß beim Übergang vom nichtschwingenden in den schwingenden Zustand die Gegenkopplung herabgesetzt wird.
  • Der besondere Vorteil dieser schaltungstechnischen Maßnahme liegt darin, daß mit einem nur geringen zusätzlichen Bauteileaufwand ein induktiver Zweidraht-Näherungsschalter der eingangs angegebenen Art besonders zum Melden von sich schnell ändernden Vorgängen ertüchtigt wird, ohne daß die Vorzüge hinsichtlich langer Lebensdauer und Zuverlässigkeit geschmälert würden.
  • Eine vorteilhafte Ausbildung des induktiven Zweidraht-Näherungsschalters unter Verwendung einer im 3-Betrieb arbeitenden induktiven Dreipunkt-Oszillatorschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und der Widerstand über das Halbleiterbauelement dem Emitterwiderstand unmittelbar parallelgeschaltet sind.
  • Diese Schaltung erfordert von den vielen Arten des Einsatzes von Oszillatorschaltungen für Näherungsschalter den geringsten Aufwand, da diese Schaltung im nichtschwingenden Zustand so gut wie keinen Gleichstrom, dagegen im schwingenden Zustand einen Gleichstrom vorgegebener Höhe aufnimmt. Hierdurch erübrigen sich spezielle, durch den Oszillator steuerbare Baugruppen zur Modulation des Versorgungsgleichstromes in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Oszillators.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zweidraht-Näherungsschalters unter Verwendung eines im A-Betrieb arbeitenden Neißner-Oszillators wird darin gesehen, daß der Kondensator und der Widerstand über das Halbleiterbauelement einerseits gleichstrommäßig an einen Spannungsteiler angeschlossen sind, der wie der Meißner-Oszillator selbst an einer Versorgungsgleichspannung liegt, und andererseits wechselstrommäßig über einen wei- teren Kondensator mit gegenüber dem anderen Kondensator wesentlich größerer Kapazität auf Massepotential liegt.
  • Als Halbleiterbauelement mit Vorzugsrichtung für den Strom kann in besonders vorteilhafter Weise eine Diode eingesetzt werden.
  • Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht als Halbleiterbauelement mit Vorzugsrichtung für den Strom den Fototransistor eines Optokopplers vor, dessen Leuchtdiode in Reihe mit dem Näherungsschalter an der Zweidraht-Leitung liegt.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
  • Es zeigen: Figur 1 einen induktiven Zweidraht-Näherungsschalter unter Verwendung einer Hartley-Oszillatorschaltung und Figur 2 einen Näherungsschalter mit einer Meißner-Oszillatorschaltung.
  • Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 zeigt einen induktiven Zweidraht-Naherungsschalter unter Verwendung einer im B-Betrieb arbeitenden Hartley-Oszillatorschaltung (induktive Dreipunkt-Schaltung). An einen in Emitterschaltung arbeitenden Oszillatortransistor T1, der durch einen Emitterwiderstand R1 gegengekoppelt ist, ist ein Schwingkreis angeschlossen, der aus einer angezapften Spule L und einem Kondensator Cl besteht. Die Steuerstrecke eines Transistors T2 dient in Verbindung mit einem Widerstand R2 Lediglich zur Vorgabe eines Schwellwertes, der nach Größe und Temperaturverhalten demjenigen des Oszillatortransistors T1 entspricht. Aus diesem Grunde ist der Kollektor des Transistors T2 nicht weiter beschaltet. Die Stromversorgung der Oszillatorschaltung erfolgt über eine Zweidraht-Leitung L10, L20, die durch einen Kondensator C2 abgeblockt ist.
  • Parallel zum das Schwingverhalten der Schaltung mitbestimmenden Emitterwiderstand R1 sind mittelbar über eine Diode D ein Widerstand RX und ein weiterer Kondensator CX angeschlossen. Die Diode D hat dabei eine derartige Polung, daß beim Ubergang vom nichtschwingenden in den schwingenden Zustand der Oszillatorschaltung die Gegenkopplung mit Hilfe des Emitterwiderstandes R1 durch Wirksamwerden der Kapazität des Kondensators CX verringert wird.
  • Durch eine Strichlierung der Zweidraht-Leitung L10, L20 ist angedeutet, daß die Stromversorgung des induktiven Näherungsschalters über eine lange Leitung erfolgen kann und von einem Anlagenteil AG ausgeht, der eine Strombewertungsschaltung SG enthält. Die Energieversorgung erfolgt über die Klemmen K1 und K2 durch Anlegen einer Gleichspannung UB.
  • Die Oszillatorschaltung schwingt und nimmt dabei einen von der Strombewertungsschaltung SG detektierbaren vorgegebenen Strom dann auf, wenn die am Emitterwiderstand R1 infolge des durch diesen Widerstand fließenden Stromes abfallende Spannung kleiner ist als die in der Spule L transformatorisch erzeugte Teilspannung zwischen dem Abgriff und der Emitterelektrode des Transistors T2. Würde der Wert des Emitterwiderstandes R1 gegenüber einem vorgegebenen Wert vergrößert, verringert sich die am Oszillatortransistor T1 wirksame Steuerspannung. Hierdurch würde die Ansprechempfindlichkeit hinsichtlich eines auszulösenden Abschaltvorganges der Oszillatorschaltung steigen.Ein derartiger Abschaltvorgang ist stets dann erwünscht, wenn ein zu detektierendes Metallteil sich der Spule L von außen nähert. Mit dem Ausbleiben der Schwingungen der Oszillatorschaltung sinkt auch der aufgenommene und über die Zweidraht-Leitung L10, L20 fließende Strom. Dies wird durch die entsprechend eingestellte Triggerschwelle der Strombewertungsschaltung SG ausgewertet und an nicht weiter dargestellte Einrichtungen über eine Leitung L3 gemeldet.
  • Nachdem das zu detektierende Metallteil den Einflußbereich der Spule L wieder verlassen hat, ist die Bedämpfung aufgehoben. Hiernach bauen sich am Schwingkreis L/C1 wieder Schwingungen auf, und zwar bezüglich deren Amplitude in exponentieller Weise. Die Zeitkonstante dieses Einschwingvorganges nimmt ebenfalls mit dem ohmschen Wert des Emitterwiderstandes R1 zu. Das liegt daran, daß bei sehr kleiner Steuerspannung am Oszillatortransistor T1, also bei einem größeren Wert des Emitterwiderstandes R1, auch nur ein recht geringer Energieanteil zur Verfügung gestellt wird, der pro Halbwelle in den Schwingkreis L/C1 eingespeist wird. Durch die im Zusammenhang mit dem Emitterwiderstand R1 vorgesehenen Bauteile D, RX und CX wird nun folgendes erreicht: Im nichtschwingenden Zustand der Oszillatorschaltung wird die Basis des Oszillatortransistors T1 über die Basis-Emitter-Diode des Transistors T2 so weit auf negatives Potential (-) UB gelegt, daß der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R1 geringer als die Schwellspannung der Diode D bleibt. Dies hat zur Folge, daß die Diode D sperrt, so daß zunächst für ein erstes Anschwingen der Oszillatorschaltung nur der Wert des Emitterwiderstandes R1 maßgeblich ist. Sobald jedoch der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R1 die Schwellspannung der Diode D überschreitet, macht sich der niederohmige Parallelwiderstand des Kondensators CX bemerkbar, derart, daß die am Oszillatortransistor T1 wirkende Steuer spannung sich in vorteilhafter Weise erhöht. Das liegt daran, daß die am Emitterwiderstand R1 abfallende Spannung im wesentlichen nicht über die Größe der Schwellspannung der Diode anwachsen kann, solange der Kondensator CX noch keine Ladung hat.
  • Damit verringert sich in gewunschter Weise für den Einschwingvorgang die Gegenkopplung. Aufgrund der kurzzeitig erhöhten Steuerspannung für den Oszillatortransistor T1 lädt dieser den Schwingkreis L/C1 mit mindestens einem kräftigen Stromstoß.
  • Ein nach dem Übergang in den schwingenden Zustand der Oszillatorschaltung vorliegender stationärer Zustand ist dann erreicht, wenn der Kondensator CX über die Diode D auf den Spitzenwert des Spannungsabfalles am Emitterwiderstand R1 aufgeladen ist. Dann haben die Diode D und der Kondensator CX keinen bedeutenden Einfluß mehr auf die Schwingbedingungen der Oszillatorschaltung. Der Widerstand RX dient an erster Stelle als Entladewiderstand für den Kondensator CX jeweils nach dem Aussetzen der Schwingungen bei einer Beeinflussung des Näherungsschalters.
  • Aufgrund der Tatsache, daß der induktive Näherungsschalter durch die erfindungsgemäße Schaltungsmaßnahme sehr schnell aus dem nichtschwingenden in den schwingenden Zustand gelangen kann, wird der Näherungsschalter besonders ertüchtigt zum Detektieren einer Vielzahl mit hoher Geschwindigkeit passierender metallischer Gegenstände, so wie es beispielsweise beim Zählen von Achsen im Eisenbahnsicherungswesen erwünscht ist.
  • Durch die Einführung des Widerstandes RX tritt ein zusätzlicher positiver Effekt auf. Im stationären, schwingenden Betrieb der Oszillatorschaltung belastet der Widerstand RX den Kondensator CX, so daß an diesem eine Gleichspannung mit einer vorgegebenen Welligkeit auftritt.
  • Der Kondensator CX wird bei jedem am Emitterwiderstand R1 auftretenden maximalen Spannungsabfall nachgeladen. Während dieses kurzzeitigen Nachladevorganges verringert sich ähnlich wie beim Anschwingvorgang der wirksame Gegenkopplungswiderstand, so daß die Ansprechempfindlichkeit sinkt. Als Folge davon ergibt sich eine Hysterese zwischen den zum Abschalten und Einschalten der Schwingungen. erforderlichen Dämpfungswerten bezüglich des Schwingkreises L/ C1. Der genannte Effekt kann in vorteilhafter Weise gegen einen eventuellen negativen Einfluß niederfrequenter Schienenströme ausgenutzt werden. Die Größe der Hysterese bestimmt sich aus dem Verhältnis der Werte des Kondensators CX zum Widerstand RX und der Arbeitsfrequenz des Oszillators.
  • Figur 2 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters unter Verwendung einer Meißner-Oszillatorschaltung. Es sei darauf hingewiesen, daß für alle Bauteile, die im Zusammenhang mit der Anordnung nach Figur 1 bereits erläutert wurden, in der Schaltung nach Figur 2 dieselben Bezugs- zeichen eingetragen sind. Der Meißner-Oszillator besteht aus dem Oszillatortransistor T1 in Emitterschaltung mit dem Emitterwiderstand R1 als Gegenkopplungswiderstand.
  • Der Schwingkreis besteht aus einer Spule L1 und dem Kondensator Cl, der seine Energie mit Hilfe einer zweiten Spule L2 und einen Kondensator C3 auf die Basis des Oszillatortransistors T1 rückkoppelt. Die Punkte an den Spulensymbolen deuten den Wickelsinn an. Zum Einstellen eines vorgegebenen Arbeitspunktes für einen A-Betrieb des Oszillators dienen die ohmschen Widerstände R3 und R4. Der Kondensator CX und der diesem parallel geschaltete Widerstand RX sind wechselstrommäßig über einen Kondensator C4 mit Masse verbunden. Für den Kondensator C4 ist eine wesentlich größere Kapazität vorgesehen als für den Kondensator CX. Außerdem ist mit der Zweidraht-Leitung L10/L20 ein ohmscher Spannungsteiler verbunden, der aus den Widerständen R5 und R6 gebildet ist. Für die Widerstände R5 und R6 sind Werte vorgesehen, derart, daß unter Berücksichtigung der über die Zweidraht-Leitung L10 und L20 zugeführten Gleichspannung UB am Widerstand R6 eine Spannung abfällt, die vorzugsweise kleiner ist als diejenige Spannung, die am Widerstand R1 vorliegt. Da der Kondensator CX und der Widerstand RX an den Verbindungspunkt des Spannungsteilers R5/R6 angeschlossen sind, wird die Diode D bereits bei sehr kleinen Wechselspannungsamplituden beim Wiedereinsetzen der Schwingungen wirksam, so daß die gewünschte Gegenkopplungserniedrigung zum schnellen Einsetzen der vollen Schwingungen ihren Beitrag liefern kann.
  • An die Kollektorélektrode des Oszillatortransistors T1 ist eine steuerbare Last LT angeschlossen, die bei schwingendem Oszillator auf der Zweidraht-Leitung L10/L20 für eine merkliche Stromerhöhung gegenüber dem nichtschwingen- den Zustand sorgt. Die genannten Stromunterschiede werden wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 im Anlagenteil AG ausgewertet.
  • 5 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansorüche K ,49 Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter, dessen von außen beim Bedämpfen beeinflußbarer Oszillator vom schwingenden in einen nichtschwingenden Zustand übergeht, wobei die Gesamt-Stromaufnahme des Näherungsschalters auswertbar sinkt, mit einem in Emitterschaltung arbeitenden, durch einen Emitterwiderstand gegengekoppelten Oszillatortransistor, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens wechselspannungsmäßig parallel zum Emitterwiderstand (R1) ein Kondensator (CX) und ein Widerstand (RX) über ein Halbleiterbauelement (D) mit Vorzugsrichtung für den Strom geschaltet sind mit einer derartigen Polung, daß beim Übergang vom nichtschwingenden in den schwingenden Zustand die Gegenkopplung herabgesetzt wird.
  2. 2. Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter nach Anspruchl unter Verwendung einer im B-Betrieb arbeitenden induktiven Dreipunkt-Oszillatorschaltung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kondensator (CX) und der Widerstand (RX) über das Halbleiterbauelement (D) dem Emitterwiderstand (R1) unmittelbar parallelgeschaltet sind (Figur 1).
  3. 3. Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter nach Anspruchs unter Verwendung eines im A-Betrieb arbeitenden Meißner-Oszillators, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kondensator (CX) und der Widerstand (RX) über das Halbleiterbauelement (D) einerseits gleichstrommäßig an einen Spannungsteiler (R5, R6) angeschlossen sind, der wie der Meißner-Oszillator selbst an einer Versorgungsgleichspannung (UB) liegt, und andererseits wechselstrommäßig über einen weiteren Kondensator (cis) mit gegenüber dem anderen Kondensator (CX) wesentlich größerer Kapazität auf Massepotential liegt (Figur 2).
  4. 4. Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Halbleiterbauelement eine Diode (D) verwendet ist.
  5. 5. Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Halbleiterbauelement der Fototransistor eines Optokopplers ist, dessen Leuchtdiode in Reihe mit dem Näherungsschalter an der Zweidraht-Leitung (L10, L20) liegt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202005000499U1 (de) * 2005-01-13 2006-05-24 Pepperl + Fuchs Gmbh Näherungsschalter

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DE202005000499U1 (de) * 2005-01-13 2006-05-24 Pepperl + Fuchs Gmbh Näherungsschalter

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