DE3817504A1 - Rechteck-generator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rechteck-Generator mit einer frequenzbestimmenden RC-Kombination nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Näherungsschalter und Feuchtigkeitsfühler verschiedenster Bauart unter Verwendung von Kaltkathodenröhren, Sensor- bzw. Berührungstasten in Halbleitertechnik und kapazitive Schalter sind allgemein bekannt.

Allen diesen Schaltungen ist jedoch gemeinsam, daß sie, ausreichende Empfindlichkeit vorausgesetzt, technisch aufwendig und durch zu großes Bauvolumen für viele Anwen­ dungen unbefriedigend oder ungeeignet sind. Es sind auch einfache Rechteck-Generatoren bekannt, die mit wenigen Bauteilen, insbesondere mit einer RC-Kombination, um ei­ nen Operationsverstärker aufgebaut sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen bekannten Rechteck-Generator dahingehend weiterzubilden, daß er als einfach herzustellender, kleine Abmessungen aufweisender Näherungs- bzw. Feuchtigkeitsfühler für die Ortung unter­ schiedlichster Stoffe verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Demnach beruht das Prinzip der vorliegenden Erfindung auf der Veränderung der Kapa­ zität einer frequenzbestimmenden RC-Kombination eines als Kapazitäts-Frequenzwandler geschalteten Rechteck-Genera­ tors bei Annäherung von Stoffen beliebiger Konsistenz mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante.

Aufgrund der Ausbildung der gesamten Schaltung und insbe­ sondere des Sensors kann dieser Rechteck-Generator für die unterschiedlichsten Zwecke eingesetzt werden, z. B. als Diebstahlsicherung für Fenster, Türen, Gemälde, Ti­ sche, Vitrinen, als Füllstandsüberwacher von Flüssigkei­ ten in Behältern, vornehmlich auch als Feuchtefühler im hygienisch-medizinischen Bereich, beispielsweise zum Überwachen von Bettnässern usw.

Gerade für eine Verwendung im medizinischen Bereich ist eine Weiterbildung nach Anspruch 2 vorgesehen, wonach der Kondensator-Fühler auch als Heizelement ausgebildet sein kann und durch periodische Umschaltung zugleich als Feuchtefühler und Heizmatte verwendbar ist.

Ein weiterer Verwendungszweck kann darin bestehen, Klein­ kinder leichter dazu zu bringen, sich an den Topf zu ge­ wöhnen. Wie sich erwiesen hat, wollen sie plötzlich ihr "Geschäft" nur noch auf dem Topf verrichten, wenn sie be­ merken, daß sie damit ein akustisches oder optisches Sig­ nal auslösen. Dazu werden beispielsweise zwei Generator­ schaltungen verwendet und deren Kondensatorgebläse so im oder unter dem Topf, der eine leicht geneigte Bodenfläche aufweist, angeordnet, daß der eine auf die sich an der tiefsten Stelle sammelnde Flüssigkeit und der andere auf die festeren, pastösen Teile anspricht. Werden die Sig­ nalgeber, die unterschiedlich hohe Töne abgeben, über ei­ nen astabilen Multivibrator abwechsend aktiviert, so er­ gibt dies eine Signalkombination, z. B. "Ta-TÜ-Ta-TÜ", welche Kleinkindern solchen Spaß macht, daß sie sich ganz schnell und "spielend" von den Windeln auf den Topf umstellen.

Für die genannten Zwecke können die Plattenbeläge auf der gleichen Seite einer elektrisch isolierenden Unterlage, die aus einem weichen und schmiegsamen Material bestehen und auch mit einem Luftpolster versehen sein kann, ge­ schützt angeordnet sein. In diese Unterlage kann auch die aus nur wenigen Bauelementen bestehende Schaltung des Rechteck-Generators integriert oder mit ihr verbunden sein.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß der Ener­ giebedarf der nachstehend beschriebenen Schaltung äußerst gering ist - bei einer Betriebsgleichspannung von 9 V beispielsweise fließt etwa ein Strom von wenigen (etwa 2 bis 3) Milliampere.

Betriebsspannungs-Schwankungen und Alterungseinflüsse der verwendeten gängigen Bauelemente haben eine vernachläs­ sigbar geringe Wirkung auf die Frequenz des Rechteck-Ge­ nerators.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteransprü­ chen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schaltung des Rechteck-Genera­ tors,

Fig. 2 eine Anwendung als Heizmatte und Feuchtigkeitsfühler auf einer Bett­ matratze,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Aufbau des Kondensators auf der Unterlage und

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Plattenbe­ lag.

Fig. 1 zeigt die elektrische Schaltung eines Rechteck-Ge­ nerators, der im wesentlichen als Komparator arbeitet, dessen einem Eingang ein Sollwert zugeführt wird und der die Spannung an seinem anderen Eingang mit diesem Soll­ wert vergleicht und an seinem Ausgang ein positives oder negatives Signal abgibt, je nachdem, ob der Sollwert grö­ ßer oder kleiner als die mit ihm zu vergleichende Span­ nung ist.

Die Schaltung ist um einen von einer Spannungsquelle 1 symmetrisch gespeisten Operationsverstärker G aufgebaut. Die Spannungsquelle 1 weist einen positiven Pol 1 a, einen negativen Pol 1 b und eine Mittelanzapfung 1 c auf. Die Mittelanzapfung 1 c ist über einen Pol eines zweipoligen Umschalters V mit einem Belag eines Kondensators C ver­ bunden. Der andere Belag des Kondensators C ist über den zweiten Pol des Umschalters mit dem einen Eingang A des Operationsverstärkers G verbunden. In der anderen, nicht gezeichneten Stellung des Umschalters V sind die beiden Beläge des Kondensators C mit einer Wechselstromquelle verbunden und dienen dann als Heizelement bzw. Heizmatte. Die Umschaltung kann periodisch von einem angedeuteten a­ stabilen Multivibrator M und in Abhängigkeit von der Ka­ pazität C erfolgen.

Der andere Eingang B des Operationsverstärkers G ist über einen Widerstand R 1 mit der Mittelanzapfung 1 c der Span­ nungsquelle 1 und über einen Widerstand R 2 mit seinem Ausgang D verbunden, der wiederum über drei Widerstände R 4, R 5 und R 6, die in Reihe geschaltet sind, mit dem Ein­ gang A verbunden ist. Dem Ausgang D des Operationsver­ stärkers G erfolgt eine aus einem Kondensator C 1 und zwei Dioden D 1 und D 2 gebildete Gleichrichterschaltung, an welche ein Schwellwertschalter angeschlossen ist, beste­ hend aus einem Kondensator C 2, einem Widerstand R 3 und einem Transistor Tr, zwischen dessen Kollektor und dem positiven Pol 1 a der Spannungsquelle 1 ein Signalgeber 3 angeordnet ist.

Die beiden Widerstände R 1 und R 2 wirken als Spannungstei­ ler und legen den Eingang B des Operationsverstärkers G an ein durch ihre Werte bestimmtes Potential zwischen dem des Verstärkerausgangs D und dem der Mittelanzapfung 1 c der Spannungsquelle 1. Zur Einstellung dieses Potentials, des Schwellwerts, können die beiden Widerstände R 1 und R 2 durch ein Potentiometer ersetzt sein, dessen Abgriff mit dem Eingang B des Operationsverstärkers G verbunden ist, oder es können entweder R 1 oder R 2 oder beide als veränderbare Widerstände ausgeführt sein.

Die Widerstands-Reihenschaltung aus R 4, R 5 und R 6, die zusammen mit dem Kapazitätswert des Kondensators C die Schaltfrequenz des Generators G und damit die Ansprech­ empfindlichkeit der Schaltung bestimmt, kann zur Einstel­ lung bzw. Umschaltung der Ansprechempfindlichkeit so ausgebildet sein, daß beispielsweise R 6 ein veränder­ barer Widerstand ist und R 4 durch eine in nicht betätig­ tem Zustand geschlossene "Eichtaste 2" kurzgeschlossen ist.

Die Funktionsweise des beschriebenen Rechteck-Generators ist an sich bekannt. Der Ausgang des Operationsverstär­ kers G nimmt entweder ein positives Potential, welches etwa dem Potential des positiven Pols 1 a der Spannungs­ quelle 1 entspricht, oder ein negatives Potential, wel­ ches etwa dem Potential des negativen Pols 1 b der Span­ nungsquelle 1 entspricht, an, je nachdem, ob das Poten­ tial am Eingang A des Operationsverstärkers G kleiner oder größer als jenes am Eingang B ist. Der Kondensator C versucht sich immer auf das Potential am Ausgang D des Operationsverstärkers G umzuladen, wodurch der Schwell­ wert am Eingang B unter- oder überschritten wird und die Umschaltung des Ausgangspotentials bewirkt. Die Frequenz, mit der diese Umschaltung erfolgt, hängt, da die Wider­ stände nach Einjustierung konstant bleiben, im wesentli­ chen von der Kapazität des Kondensators C ab: je kleiner die Kapazität, desto höher die Frequenz.

Dem Operationsverstärker G folgt ein Gleichrichter aus einem Kondensator C 1 und zwei Dioden D 1 und D 2, über die ein Kondensator C 2 aufgeladen wird, der über einen Wider­ stand R 3 mit dem Basisanschluß eines Transistors Tr, hier eines npn-Transistors, verbunden ist. Der Emitter des Transistors ist seinerseits mit dem negativen Pol 1 b der Spannungsquelle 1 verbunden und der Kollektor, wie be­ reits erwähnt, über den Signalgeber 3 mit dem positiven Pol 1 a der Spannungsquelle 1.

Im Falle, daß der als Fühler dienende Kondensator C von trockener Luft umgeben ist und damit eine kleinere Kapa­ zität aufweist, was der Ruhezustand sein soll, "schwingt" der Generator mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers G an seinem Ausgang D geht im Eigenrauschen unter. Die Gleichrichterdioden D 1 und D 2 sind nicht in der Lage, diese hohe Frequenz gleichzurichten, und wirken wie ein Kurzschluß für diese.

Bei Annäherung eines "Dielektrikums", z. B. eines feuchten oder Flüssigkeit enthaltenden Mediums, steigt die Kapazi­ tät des Fühler-Kondensators C, die Frequenz des Genera­ tors sinkt und das Ausgangssignal am Ausgang D wird gleichgerichtet und der Kondensator C 2 aufgeladen. Wenn seine Spannung größer als die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tr wird, wird dieser durchgeschaltet und der Signalgeber 3 eingeschaltet.

Mit einem Rechteck-Generator der vorstehend beschriebenen Schaltung oder mit mehreren können alle die in der Be­ schreibungseinleitung erwähnten Anwendungsfälle verwirk­ licht werden.

Als Beispiel ist in Fig. 2 schematisch die Anwendung als abwechselnd geschalteter Feuchtefühler und Heizmatte auf einer Bettmatratze 5 dargestellt, wobei die Plattenbeläge des Kondensators in nicht dargestellter Weise auf bzw. in einer schmiegsamen Unterlage 4 kammartig ineinander ver­ zahnt angeordnet sind. Die Unterlage 4 liegt im feuchte­ empfindlichen Teil der Bettmatratze 5 und die elektrische Schaltung mit dem Rechteck-Generator und dem Signalgeber sind in einem mit der Unterlage 4 verbundenen, seitlich an der Matratze hängenden Gehäuse 6 untergebracht, zu dem noch die nicht dargestellten Anschlußleitungen für die Heizungs-Wechselspannung führen.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt des Aufbaus des Kondensa­ tors C, der aus den beiden Plattenbelägen C′ und C′′ be­ steht, die an ihrer einen - in der Zeichnung linken - Sei­ te mit Anschlüssen versehen sind, welche zu dem Umschal­ ter U (Fig. 1) führen, und seiner Anordnung auf der Un­ terlage 4 dargestellt. Die Unterlage 4 besteht aus einer schmiegsamen Trägerfolie aus Kunststoffmaterial mit einer Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,2 mm.

Diese Trägerfolie ist auf ihrer Unterseite mit einer etwa 0,01 mm starken Aluminiumschicht 7 bedampft, welche Ver­ fälschungen des Meßergebnisses durch elektrische Störfel­ der verhindern soll. Diese Schicht kann, was jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist, mit dem Nullpotenti­ al der Schaltung des RC-Generators, in diesem Fall mit der Mittelanzapfung 1 c der Spannungsquelle 1, verbunden sein.

In Fig. 3 sind die beiden Querschnitte der Plattenbeläge C′ und C′′ von ihrer Anschlußseite her sich verjüngend dargestellt. Diese Art der Darstellung soll jedoch darauf hinweisen, daß die spezifische, elektrisch wirksame Flä­ che der beiden Plattenbeläge von der Seite ihres elektri­ schen Anschlusses her abnimmt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß diese beiden Beläge aus einer flüssigen Gra­ phitmasse bestehen, die im Siebdruckverfahren auf die Un­ terlage 4 aufgebracht wird und anschließend aushärtet, wobei die als Punkte aufgebrachte Masse vor dem Verfes­ tigen mehr oder weniger in sich verfließt. Durch geeigne­ te Wahl der Größe dieser Punkte (Materialmenge) und/oder des sich verändernden Rastermaßes ihrer Abstände kann ei­ ne Abnahme der spezifischen, elektrisch wirksamen Fläche der Plattenbeläge in gewünschter Weise erreicht werden. Eine Draufsicht auf eine derartige Fläche ist in Fig. 4 dargestellt.

Mit einer derartigen Ausbildung der Plattenbeläge kann je nach Lage eines auf diesen Kondensator gestellten Gegen­ standes eine unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit des RC-Generators erreicht werden. Dadurch kann beispielswei­ se auf die Ausbildung des Widerstandes als Potentiometer verzichtet werden, was eine wesentliche Einsparung an Herstellungskosten mit sich bringt.

Zum Schluß sei noch darauf hingewiesen, daß es im Rahmen der Erfindung liegt, die Wirkungsweise des RC-Generators umzukehren, wodurch beispielsweise das Entfernen eines Gegenstandes oder das Fehlen bzw. das Verschwinden einer Flüssigkeit zum Auslösen eines Alarmes führen kann. Da­ durch werden die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungs­ gemäßen RC-Generators wesentlich größer.

Claims (20)

1. Rechteck-Generator mit einer frequenzbestimmenden RC- Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) der RC-Kombination (R 1, R 2, R 4 bis R 6, C) als kapazitiver Sensor ausgebildet ist und daß dem Generator (G) eine Gleichrichterschaltung (C 1, D 1, D 2) und ein Schwellwertschalter (C′′, R 3, Tr) nachgeschaltet sind, durch welche ein Signalgeber (3) einschaltbar ist, wenn die Kapazität des Kondensators (C) einen vorgebbaren Wert überschreitet.

2. Rechteck-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweipoliger Umschal­ ter (V) vorgesehen ist, welcher den Kondensator (C) abwechselnd an die Generatorschaltung und an eine ex­ terne Stromquelle anschließt.

3. Rechteck-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung automa­ tisch erfolgt.

4. Rechteck-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schaltschwelle des Generators bestimmenden Widerstände (R 1, R 2) veränderbar sind.

5. Rechteck-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 4 bis R 6) der RC-Kombination veränderbar ist.

6. Rechteck-Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilwider­ stand (R 4) kurzschließbar ist.

7. Rechteck-Generator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Rechteck- Generatoren Verwendung finden, deren voneinander un­ terscheidbare Signale abgebende Signalgeber (3) ab­ wechselnd aktivierbar sind.

8. Rechteck-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Plattenbeläge des Kondensators (C) auf der gleichen Seite einer elektrisch isolierenden Unterlage (4) nebeneinander angeordnet sind.

9. Rechteck-Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (4) aus ei­ nem weich, schmiegsamen Material besteht.

10. Rechteck-Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (4) mit ei­ nem Luftpolster versehen ist.

11. Rechteck-Generator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte elektronische Schaltung in die die Plattenbeläge des Kondensators (C) tragende Unterlage (4) integriert ist.

12. Rechteck-Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung in Abhän­ gigkeit von der Kapazität des Kondensators (C) perio­ disch erfolgt.

13. Rechteck-Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Seite der Unterlage (4) wenigstens im Bereich der Plattenbeläge des Kondensators (C) eine Schicht aus elektrische Störfelder abschirmendem Material angeordnet ist.

14. Rechteck-Generator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Unter­ lage (4) Aluminiumdampf-beschichtet ist.

15. Rechteck-Generator nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Stärke von etwa 0,01 mm aufweist.

16. Rechteck-Generator nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus elektri­ sche Störfelder abschirmendem Material mit dem Null­ potential (Anschluß 1 c) der Schaltung des RC-Genera­ tors verbunden ist.

17. Rechteck-Generator nach einem der Ansprüche 1, 2, 8 und 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenbeläge des Kondensators (C) im Siebdruckverfahren auf der Unter­ lage (4) aufgebracht sind.

18. Rechteck-Generator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das im Siebdruckverfahren aufgebrachte Material der Plattenbeläge aus elek­ trisch leitendem, Graphit enthaltendem Material be­ steht.

19. Rechteck-Generator nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische, elek­ trisch wirksame Fläche der Plattenbeläge des Konden­ sators (C) von der Seite, an welchem der elektrische Anschluß erfolgt, in Richtung auf die gegenüberlie­ gende Seite hin abnimmt.

20. Rechteck-Generator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradienten der Abnah­ me der spezifischen, elektrisch wirksamen Flächen beider Plattenbeläge in die gleiche Richtung weisen.