-
-
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