PL208754B1 - Układ pojemnościowego przełącznika zbliżeniowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina zastosowania i stan techniki

Wynalazek odnosi się do układu pojemnościowego przełącznika zbliżeniowego do ustalania stanu pobudzenia, zwłaszcza przełącznika zbliżeniowego działającego zgodnie z zasadą przekazywania ładunku.

Układy tego rodzaju są znane i mają na przykład w EP 0 859 468 A1 pojemnościowy element czujnikowy, którego pojemność zmienia się zgodnie ze stanem pobudzenia. Ta zmiana pojemności jest oceniana w celu określania stanu pobudzenia. Przy tym, element czujnikowy jest zasilany napięciem ładowania, w wyniku czego w zależności od jego pojemności i napięcia ładowania, do elementu czujnikowego jest przekazywany dany ładunek elektryczny.

Po czasie ładowania element czujnikowy jest oddzielany od napięcia ładowania i łączony ze zbiorczym kondensatorem, w wyniku czego następuje przekazywanie ładunku z elementu czujnikowego do zbiorczego kondensatora.

Przebieg ładowania i następująca wymiana ładunków są powtarzane dla ustalonej z góry liczby cykli, przez co ładunek zbiorczego kondensatora osiąga ustaloną wartość, która między innymi jest określana przez wartość pojemności elementu czujnikowego.

Ładunek, względnie uzyskiwane napięcie zbiorczego kondensatora jest zatem miarą mierzonej pojemności elementu czujnikowego. Przez ocenę napięcia zbiorczego kondensatora, przełącznik zbliżeniowy może być przełączony w stan pobudzenia. Po ocenie napięcia zbiorczy kondensator określa rozładowanie i może także wprowadzić nowy cykl pomiarowy.

Przebiegi przełączania są realizowane w znany sposób przez przełączniki analogowe, które są stosunkowo drogie. Następnie element czujnikowy może rozładować się tylko do chwilowego napięcia zbiorczego kondensatora, w wyniku czego przekazywany ładunek maleje wraz ze wzrostem naładowania zbiorczego kondensatora, a zatem zdolność rozdzielcza sygnału zmniejsza się.

Zadanie i rozwiązanie

Zadanie wynalazku polega na tym, żeby opracować układ wymienionego na wstępie rodzaju, który zapewnia niezawodne ustalanie stanu pobudzenia przełącznika zbliżeniowego we wszystkich warunkach pracy, jest wytwarzany ekonomicznie i nieczuły na zakłócenia EMV i HF.

Wynalazek rozwiązuje to zadanie przez układ z cechami zastrzeżenia 1. Korzystne i zalecane wykonania wynalazku są przedmiotem dalszych zastrzeżeń i zostaną bliżej wyjaśnione w następującym opisie. Treść zastrzeżeń została ustalona przez wyraźne odniesienie do treści opisu.

Układ według wynalazku zawiera pojemnościowy element czujnikowy, zbiorczy kondensator, pierwszy sterowany element łączący, który zasila pojemnościowy element czujnikowy napięciem ładowania zgodnie z sygnałem sterującym i drugi sterowany element łączący, który łączy pojemnościowy element czujnikowy ze zbiorczym kondensatorem zgodnie z sygnałem sterującym dla przekazywania ładunku z pojemnościowego elementu czujnikowego do zbiorczego kondensatora. Pierwszy sterowany element łączący jest diodą, a drugi sterowany element łączący jest tranzystorem. Baza tranzystora oraz anoda diody są połączone z węzłem napięcia ładowania, a katoda diody oraz emiter tranzystora z rezystorem filtrującym, który jest sprzężony z pojemnościowym elementem czujnikowym. Kolektor tranzystora jest połączony ze zbiorczym kondensatorem, którego druga końcówka jest połączona z potencjałem odniesienia. Przez to połączenie jest osiągane, że dioda, względnie tranzystor przewodzą naprzemiennie zgodnie z napięciem ładowania, a dalsze sygnały sterujące nie są potrzebne. Rezystor filtrujący czyni układ nieczułym na zakłócenia EMV i HF. Przełączenie między fazą ładowania elementu czujnikowego i fazą przekazywania ładunku następuje synchronicznie z napięciem przemiennym, przez co można uniknąć dodatkowej logiki przełączającej. Tego rodzaju układ jest łatwy do budowy, wytwarzany ekonomicznie i nieczuły na zakłócenia.

Korzystnie, napięcie ładowania jest wytwarzane za pomocą źródła napięcia stałego i źródła napięcia prostokątnego ze wspólnym potencjałem odniesienia. Przy tym, między węzłem napięcia ładowania i źródłem napięcia stałego jest włączona dioda zaciskowa w kierunku zaporowym i między węzłem napięcia ładowania i źródłem napięcia prostokątnego są włączone kondensator i rezystor połączone szeregowo. Przez tego rodzaju układ jest możliwe wytworzenie prostokątnego napięcia ładowania w węźle napięcia ładowania, które zmienia się między potencjałem źródła napięcia stałego i potencjałem sumarycznym potencjału źródła napięcia stałego i poziomem, względnie potencjałem „1” źródła napięcia prostokątnego, synchronicznie względem źródła napięcia prostokątnego. To umożliwia prawie całkowite naładowanie i rozładowanie elementu czujnikowego, niezależnie od napięcia ładoPL 208 754 B1 wania, względnie stanu naładowania zbiorczego kondensatora, przez co jest powodowany liniowy wzrost napięcia na zbiorczym kondensatorze. Możliwa zdolność rozdzielcza sygnału jest przez to znacznie poprawiona.

Korzystnie, tranzystor jest tranzystorem bipolarnym, zwłaszcza tranzystorem pnp. Dzięki temu, że pierwszy element łączący jest diodą, a drugi element łączący jest tranzystorem, elementy te są w stanie łatwo i ekonomicznie zrealizować funkcję przełączania zgodnie z napięciem ładowania, ponieważ elementy łączące są w stanie przewodzenia, względnie zaporowym zgodnie z napięciem ładowania. Drogie i czułe przełączniki analogowe mogą być wyeliminowane. Ponadto, typowa dla pojemnościowego elementu czujnikowego pojemność podstawowa może być w najwyższym stopniu skompensowana przez pojemności bierne tranzystora, przez co w zasadzie jest określana tylko zmiana pojemności elementu czujnikowego.

Korzystnie, zbiorczy kondensator jest dołączony równolegle do przełącznika. To umożliwia niezawodne rozładowanie zbiorczego kondensatora przed rozpoczęciem nowego pomiaru.

Alternatywnie, może być także zastosowany właściwie wymiarowany rezystor.

Korzystnie, układ ma więcej pojemnościowych elementów czujnikowych, którym każdorazowo jest przyporządkowana dioda oraz tranzystor i ma wyłącznie jeden jedyny zbiorczy kondensator, który jest połączony każdorazowo z tranzystorem, każdorazowo przez diodę odsprzęgającą w kierunku przewodzenia, przy czym anoda diody odsprzęgającej jest połączona przez diodę selekcyjną w kierunku przewodzenia, każdorazowo z sygnałem wyboru. Za pomocą układu tego rodzaju jest możliwa ocena stanu pobudzenia większej ilości przełączników zbliżeniowych przy pracy wielokrotnej. Wybór odpowiedniego przełącznika zbliżeniowego następuje przez sygnał wyboru, przez który jest uruchamiane przekazywanie ładunku z wybranego elementu czujnikowego do jedynego zbiorczego kondensatora. Ładunek nie wybranych elementów czujnikowych odpływa każdorazowo przez diodę selekcyjną. Napięcie ładowania może być postawione do dyspozycji centralnie.

Korzystnie, pojemnościowy element czujnikowy jest wykonany tak, że jest nałożony na dolną stronę powierzchni lub powłoki o własnościach dielektrycznych, przy czym ma ona korzystnie gładką, płaską powierzchnię przylegania.

Korzystnie, pojemnościowy element czujnikowy ma obszerny, sprężysty, korzystnie podłużny korpus z materiału przewodzącego elektrycznie. Taki element czujnikowy jest opisany na przykład w EP 0 859 467 A1, którego treść względem tego odniesiono wyraźnie do treś ci tego opisu.

Te i dalsze cechy wynikają z zastrzeżeń, a także opisu i rysunków, przy czym poszczególne cechy mogą być realizowane każdorazowo dla jednej lub więcej postaci kombinacji przy wykonaniu wynalazku i w innych dziedzinach oraz mogą przedstawiać korzystne, jak również możliwe do ochrony wykonania, dla których jest tutaj zastrzegana ochrona.

Podział zgłoszenia na poszczególne części, jak również podtytuły, nie ogranicza go przy dokonanych stwierdzeniach, co do ogólnej ważności.

Krótki opis rysunków

Korzystne przykłady wykonania wynalazku są przedstawione schematycznie na rysunkach i będą opisane dalej, przy tym pokazują one:

Figura 1 - schemat układu pojemnościowego przełącznika zbliżeniowego do ustalania stanu pobudzenia,

Figura 2 - wykres przebiegu napięcia źródła napięcia przemiennego U2 z fig. 1 i napięcia ładowania w węźle napięcia ładowania N1 z fig. 1,

Figura 3 - wykres przebiegu napięcia na zbiorczym kondensatorze C2 z fig. 1 zgodnie ze stanem pobudzenia przełącznika zbliżeniowego i

Figura 4 - schemat układu z wieloma pojemnościowymi elementami czujnikowymi.

Szczegółowy opis przykładu wykonania

Figura 1 przedstawia schemat układu pojemnościowego przełącznika zbliżeniowego do ustalania jego stanu pobudzenia. Układ zawiera źródło napięcia stałego U1 i źródło napięcia prostokątnego U2 ze wspólnym potencjałem odniesienia, na przykład masą, przy czym między węzłem N1 napięcia ładowania, z przyłożonym napięciem ładowania i źródłem napięcia stałego U1 jest włączona w kierunku zaporowym dioda zaciskowa D1 oraz między węzłem N1 napięcia ładowania i źródłem napięcia prostokątnego U2 są włączone kondensator C1 i rezystor R1 połączone szeregowo. Dioda zaciskowa D1 powoduje w połączeniu z kondensatorem C1 wzrost napięcia podawanego ze źródła napięcia prostokątnego U2 do węzła N1 o wartość napięcia ze źródła napięcia stałego.

PL 208 754 B1

Figura 2 pokazuje ten związek na wykresie przebiegu napięcia źródła napięcia przemiennego U2 i napięcia ładowania U3 w węźle N1 napięcia ładowania w funkcji czasu.

Dalej jest zastosowany pierwszy element łączący w postaci diody D2 i drugi element łączący w postaci tranzystora pnp T1. Baza tranzystora T1 i anoda diody D2 są połączone z węzłem N1 napięcia ładowania. Katoda diody D2 i emiter tranzystora T1 są połączone z rezystorem filtrującym R2, który jest sprzężony z pojemnościowym elementem czujnikowym C3, a kolektor tranzystora T1 jest połączony ze zbiorczym kondensatorem C2, którego druga końcówka jest połączona z potencjałem odniesienia.

Kondensator C4 reprezentuje w zasadzie stałą pojemność podstawową elementu czujnikowego C3. Do zbiorczego kondensatora C2 jest dołączony równolegle przełącznik S1, który został dołączony przed rozpoczęciem pomiaru, a więc całkowicie rozładował zbiorczy kondensator. Jeżeli przebieg napięcia na zbiorczym kondensatorze jest oceniany przez mikrosterownik, ten zbiorczy kondensator C2 może rozładować się przed rozpoczęciem pomiaru, gdy odpowiednie wejście zostanie dołączone na krótki okres do potencjału odniesienia.

Przełącznik S1 jest eliminowany w takim przypadku. Pojemnościowy element czujnikowy C3 jest nałożony na przykład na dolną stronę powierzchni lub powłoki o własnościach dielektrycznych.

Dioda D2 i baza tranzystora T1 są zasilane napięciem ładowania U3, w wyniku czego dioda D2 lub tranzystor T1 przewodzą naprzemiennie. Gdy napięcie ładowania U3 ma największą wartość, dioda D2 przewodzi, przez co pojemność elementu czujnikowego C3 ładuje się w przybliżeniu do wartości napięcia ładowania. Tranzystor jest w tym przypadku w stanie zaporowym, ponieważ jego napięcie baza-emiter jest dodatnie. Gdy napięcie ładowania U3 opada do najmniejszej wartości, dioda D2 jest w stanie zaporowym i złącze baza-emiter przewodzi, tj. tranzystor T1 tworzy połączenie. Zatem ładowanie pojemności elementu czujnikowego C3 jest przełączane, względnie przekazywane na zbiorczy kondensator. Bierne pojemności tranzystora T1 kompensują część pojemności podstawowej C4 elementu czujnikowego C3 tak, że w zasadzie określana jest tylko zmiana pojemności elementu czujnikowego C3.

Wymieniana ilość ładunku jest ustalana przez określaną pojemność C3 elementu czujnikowego. Przy pobudzeniu przełącznika zbliżeniowego pojemność C3 zwiększa się, w wyniku czego napięcie na zbiorczym kondensatorze szybciej wzrasta.

Figura 3 pokazuje wykres przebiegu napięcia na zbiorczym kondensatorze C2 zgodnie ze stanem pobudzenia przełącznika zbliżeniowego w funkcji czasu. Przy braku pobudzenia przełącznika zbliżeniowego, napięcie przebiega w postaci piłokształtnej między napięciem odniesienia i pierwszym napięciem szczytowym UR1. W okresie czasu między chwilami t1 i t2, przy pobudzeniu przełącznika zbliżeniowego, do chwili t1 nachylenie silnie wzrasta i napięcie na zbiorczym kondensatorze C2 zwiększa aż do napięcia szczytowego UR3. Następne cykle pomiarowe następują aż do chwili t2 przy większym nachyleniu, przy czym każdorazowo jest osiągane napięcie szczytowe UR2. Osiągane napięcie szczytowe wskazuje zatem stan pobudzenia przełącznika zbliżeniowego i może być oceniane przez nie pokazaną jednostkę, na przykład mikrosterownik.

Figura 4 pokazuje schemat układu z trzema pojemnościowymi elementami czujnikowymi C3, którym każdorazowo jest przyporządkowana dioda D2 i tranzystor T1 jako element łączący. Część układu do wytwarzania napięcia ładowania, składająca się ze źródeł napięcia U1 i U2, diody zaciskowej D1, kondensatora C1 i rezystora R1, występuje tylko raz i zasila każdorazowy element łączący napięciem ładowania U3. Również zbiorczy kondensator C2 występuje tylko raz. Diody D3 i D4, które są połączone z kolektorem tranzystora T2 służą do wzajemnego odsprzęgania.

Wybór mierzonego przełącznika zbliżeniowego następuje za pomocą odpowiedniego sygnału wyboru SL1, SL2, względnie SL3. Sygnał wyboru SL wybranego, względnie wyselekcjonowanego przełącznika zbliżeniowego przenosi napięcie, które jest większe niż maksymalne występujące napięcie szczytowe, a sygnał wyboru nie wybranego przełącznika zbliżeniowego przenosi napięcie odniesienia. Ładunek nie wybranych elementów czujnikowych odpływa przez każdą diodę D3, natomiast ładunek wybranych elementów czujnikowych jest przekazywany przez odpowiednią diodę D4 w zbiorczym kondensatorze C2.

Pokazane układy umożliwiają niezawodne ustalenie stanu pobudzenia przełącznika lub przełączników zbliżeniowych we wszystkich warunkach pracy, są wytwarzane ekonomicznie i nieczułe na zakłócenia EMV i HF.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ pojemnościowego przełącznika zbliżeniowego do ustalania stanu pobudzenia z:

   - pojemnoś ciowym elementem czujnikowym, którego pojemność zmienia się zgodnie ze sposobem pobudzania,

   - zbiorczym kondensatorem,

   - pierwszym sterowanym elementem łączą cym, który zasila pojemnoś ciowy element czujnikowy napięciem ładowania zgodnie z iłem sterującym,

   - drugim sterowanym elementem łączącym, który łączy pojemnościowy element czujnikowy ze zbiorczym kondensatorem zgodnie z sygnałem sterującym dla przekazywania ładunku z pojemnościowego elementu czujnikowego do zbiorczego kondensatora, znamienny tym, że pierwszy sterowany element łączący jest diodą (D2), a drugi sterowany element łączący jest tranzystorem (T1), przy czym baza tranzystora (T1) i anoda diody (D2) są połączone z węzłem (N1) napięcia ładowania (U3), a katoda diody (D2) i emiter tranzystora (T1) z rezystorem filtrującym, który jest sprzężony z pojemnościowym elementem czujnikowym (C3), zaś kolektor tranzystora (T1) jest połączony ze zbiorczym kondensatorem (C2), którego druga końcówka jest połączona z potencjałem odniesienia.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że napięcie ładowania (U3) jest wytwarzane za pomocą źródła napięcia stałego (U1) i źródła napięcia prostokątnego (U2) ze wspólnym potencjałem odniesienia, przy czym między węzłem (N1) napięcia ładowania i źródłem napięcia stałego (U1) jest włączona dioda zaciskowa (D1) w kierunku zaporowym i między węzłem (N1) napięcia ładowania i źródłem napięcia prostokątnego (U2) są włączone kondensator (C1) i rezystor (R1) połączone szeregowo.
3. 3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tranzystor (T1) jest tranzystorem bipolarnym, zwłaszcza tranzystorem pnp (T1).
4. 4. Układ według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że zbiorczy kondensator (C2) jest dołączony równolegle do przełącznika (S1).
5. 5. Układ według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że ma więcej pojemnościowych elementów czujnikowych (C3), którym każdorazowo jest przyporządkowana dioda (D2) oraz tranzystor (T1) i ma wyłącznie jeden jedyny zbiorczy kondensator (C2), który jest połączony każdorazowo z tranzystorem (T1), każdorazowo przez diodę odsprzęgającą (D4) w kierunku przewodzenia, przy czym anoda diody odsprzęgającej (D4) jest połączona przez diodę selekcyjną (D3) w kierunku przewodzenia każdorazowo z sygnałem selekcyjnym (SL1, SL2, SL3).
6. 6. Układ według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że pojemnościowy element czujnikowy (C3) jest wykonany tak, że jest nałożony na dolną stronę powierzchni lub powłoki o własnościach dielektrycznych, przy czym ma ona korzystnie gładką, płaską powierzchnię przylegania.
7. 7. Układ według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że pojemnościowy element czujnikowy (C3) ma obszerny, sprężysty, korzystnie podłużny korpus z materiału przewodzącego elektrycznie.