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Elektronisches, bertilirungslos arbeitendes Schaltgerät Vie Erfindung
betrifft ein elektronisches, berührungslos arbeitendes Schaltgerät, das über einen
Außenleiter mit einem Pol einer Spannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter
mit einem Anschluß eines Verbrauchers (dessen anderer Anschluß an den anderen Pol
der Spannungsquelle angeschlossen ist) verbindbar ist, bestehend aus einem von außen
beein flußbaren, einen Verstärkertransistor und einen im Kollektorkreis des Verstärkertransisto#
liegenden Parallelschwing kreis aufweisenden Oszillator, einem von dem Oszillator,
gegebenenfalls
über eine Kippstufe, steuerbaren Thyristor (oder einem anderen elektronischen Schalter)
und einer Speiseschaltung zur Erzeugung der Hilfsspannung für den Oszillator und
gegebenenfalls für die Kippstufe.
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Elektronische Schaltgeräte der eingangs beschriebenen Art, die also
kontaktlos ausgeführt sind, werden in zunehmendem Maße anstelle von elektrischen,
mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgerührt sind, in elektrischen
Meß-, Steuer- und Regelkreisen verwendet. Solange bei diesen elektronischen Schaltgeräten
ein Metallteil einen vorgegebenen Abstand noch nicht erreicht hat, gilt für den
Oszillator K ~ V = 1 mit K = Rückkopplungsfaktor und V - Verstärkungs faktor des
Oszillators, d.h. der Oszillator schwingt. Erreicht das entsprechende Metallteil
den vorgegebenen Abstand, so führt die zunehmende Bedämpfung des Oszillators zu
einer Verringerung des Verstärkungsfaktors V, wobei K ~ V < 1 wird, d.h. der
Oszillator schwingt nicht mehr. Abhängig von den unterschiedlichen Zuständen des
Oszillators wird, zumeist über eine Kippstufe, der Thyristor oder ein anderer elektronischer
Schalter gesteuert.
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Bei den bekannten elektronischen Schaltgeräten der eingangs beschriebenen
Art, von denen die erfindung ausgeht (vgl. die DT-OS 1 951 157), liegt, wie bereits
eingangs ausgeführt, im Kollektorkreis des Verstärkertran#ors ein Parallelschwingkreis
aus
einer Schwingkreisinduktivität und einer Schwingkreis kapazität, im Emitterkreis
ein Emitterwiderstand und im Basiskreis eine Rückkopplungsinduktivität, die einerseits
an die Basis des Verstärkertransistors, andererseits an den Abgriff eines aus zwei
Spannungsteilerwiderständen bestehenden, zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der
Hilfsspannung liegenden Spannungsteilers angeschlosse Durch eine entsprechende Schaltung
der Schwingkreisinduktivität und der Rückkopplungs induktivität wird zwischen dem
Kollektor des Verstärke#-transistors und dessen Basis eine Phasendrehung von 1800
erzeugt, so daß zusammen mit der zwischen der Basis des Verstärkertransistors und
dessen Kollektor wirksamen Phasendrehung von 1800 die für einen Oszillator erforderliche
Phasendrehung von 3600 erreicht wird.
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Das zuvor beschriebene elektronische Schaltgerät hat sich an sich
in der Praxis außerorentlich gut bewährt, es ist jedoch im folgenden Punkt noch
verbesserungsbedürftig: Die Tatsache, daß das bekannte elektronische Schaltgerät,
von dem die Erfindung ausgeht, einerseits eine Schwingkreisinduktivität, andererseits
eine Rückkopplungsinduktivität, also zwei Spulen benötigt (bei anderen Ausführungsformen
wird eine Spule mit einer Anzapfung benötigt) ist nachteilig. Zunächst ist ausdit
Sicht der Herstellung der Spulen die Notwendigkeit, zwei Spulen
bzw.
eine Spule mit zwei Wicklungen (oder eine Spule mit einer Anzapfung) verwenden zu
müssen, bereits aufwendig. Hinzu kommt aber, daß in zunehmendem Maße elektronische
Schaltungen integriert werden und daß bei integrierten Schaltungen die aus der integrierten
Schaltung herauszuführenden Anschlüsse aufwendig sind. Würde man also die den bekannten
elektronischen Schaltgeräten zugrundeliegenden Schaltungen integrieren, so wUrden
für die Spulen bzw. die Spule vier oder zumindest drei Anschlüsse benötigt Der Erfindung
liegt also primär die Aufgabe zugrunde, das bekannte, zuvor im einzelnen erläuterte
elektronische Schaltgerät hinsichtlich des Oszillators so weiterzubilden, daß es
mit weniger Aufwand hergestellt und insbesondere besser integriert werden kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen dadurch
gelöst, daß der Kollektor des Verstärkertransistors über eine Rückkopplungsschaltung
ohne Phasendrehung auf den Emitter des Verstärkertransistors rückgekoppelt ist und
daß die Basis des Verstärkertransistors auf einem festen, also zeitlich unveränderlichen
Potential liegt. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät wird der Verstärkertransistor
also emittergesteuert betrieben. Dadurch, daß zwischen dem emitter und dem Kollektor
des Verstärkertransistors keine Phasendrehung
auftritt, braucht
auch mit der Rückkopplungsschaltung keine Phasendrehung erreicht werden, eine Rückkopplungsinduktivität
(oder Rückkopplungskapazität) wird also nicht benötigt.
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Als Rückkopplungsschaltung ohne Phasendrehung wird nach einer weiteren
Lehre der Erfindung ein als Emitterfolger geschalteter Rückkopplungstransistor vorgesehen,
wobei zweckmäßigerweise der Emitter des R;lekkopplungstransistors über einen (z.B.
aus zwei Spannungsteilerwiderständen bestehenden) Spannungsteiler mit dem Minuspol
der Hilfsspannung verbunden ist und der Emitter des Verstärkertransistors über einen
Emitterwiderstand an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist.
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Da die Basis des Verstärkertransistors erfindungsgemäß auf einem festen,
also zeitlich unveränderlichen Potential liegt, liegt auch der Emitter des Verstärkertransistors
auf einem zeitlich unveränderlichen Potential; der Verstärkertransistor ist also
stromgesteuert, und zwar vom Abgriff des Spannungsteilers über den Emitterwiderstand.
Am Abgriff des Spannungsteilers liegt nämlich die hochfrequente Wechselspannung
(ca.
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250 bis 5 ovo kHz), die vom Kollektor des Verstärkertransistors über
den als Emitterfolger geschalteten Rückkopplungstransistor und den Spannungsteiler
an den Abgriff des Spannungsteilers gelangt. Lte Stromsteuerung des Verstärkertransistors
hat gegenüber der bei dem bekannten elektronischen Schaltgerät, von dem die Erfindung
ausgeht, angewandten Spannungssteuerung den Vorteil, daß der Verstärkertransistor
eine wesentlich höhere Grenzfrequenz hat.
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Die zuvor beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltgerätes hat weiter folgenden Vorteil: Durch den Emitterwiderstand und die
beiden Spannungsteiler Widerstände des Spannungsteilers wird ein Rückkopplungsfaktor
festgelegt, der dem Sollwert des Schaltabstandes entsprechen soll. In der Praxis
treten jedoch durch die Toleranzen der verwendeten Bauteile bedingte Abweichungen
zwischen dem Istwert des Schaltabstandes und dem Sollwert des Schaltabstandes auf,
so daß ein Abgleich erforderlich ist. Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform
des erfindungsgemaßen elektronischen Schaltgerätes besteht - im Gegensatz zu dem
bekannten elektronischen Schaltgerät - die Möglichkeit, diesen Abgleich in beiden
Richtungen vorzunehmen, also den Schaltabstand zu vergrößern oder zu verkleinern,
und zwar dadurch, daß entweder dem einen oder dem anderen Spannungsteilerwiderstand
ein Abgleichwiderstand parallel geschaltet wird. Der Schaltabstand kann im übrigen
auch durch Parallelschaltung eines Abgleichwiderstandes zum Emitterwiderstand verkleinert
werden.
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung wird, wie an sich bekannt,
dem Emitterwiderstand eine Temperaturkompensationsschaltung, z.B. aus einem NTC-Widerstand
und einem Anpassungswiderstand, parallel geschaltet. Diese Temperaturkompensations
schaltung dient vor allem der Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Verlustwiderstandes
des Parallelschwingkreises.
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Bei dem bekannten elektronischen Schaltgerät ist diese Kompensation
mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden gewesen, insbesondere dann, wenn Maßnahmen
zur betriebsmäßigen Einstellung des Schaltabstandes verwirklicht waren, weil nämlich
durch eine Veränderung des Schaltabstandes auch der Einfluß der Temperaturkompensationsschaltung
verändert wurde.
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Schließlich geht eine weitere Lehre der Erfindung dahin, die Basis
des Verstärkertransistors über zumindest eine Vorschaltdiode an den Pluspol der
Hilfsspannung anzuschließen, wobei es sich empfiehlt, die Kathode der Vorschaltdiode
ilber einen Belastungswiderstand mit dem Emitter des Vers tärkertrarsis tors oder
mit dem Minuspol der Hilfsspannung zu verbinden. Zweckmäßigerweise ist die Basis
des Verstärkertransistors über zwei in Reihe geschaltete Vorschaltdioden mit dem
Pluspol der Hilfsspannung verbunden und ist der im Kollektorkreis des Verstärkertransistors
angeordnete Parallelschwingkreis an die Verbindung der beiden Vorschaltdioden angeschlossen.
Als Vorschaltdiode wird dabei vorzugsweise die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors
vorgesehen, dessen Kollektor mit dessen Basis verbunden ist.
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Durch die zuletzt beschriebenen Maßnahmen wird eine Vergrößerung der
Amplitude der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung erreicht, insbesondere dann,
wenn in der angegebenen Weise zwei Vorschaltdioden verwendet werden. Durch den zweckmäßigerweise
vorgesehenen
Belastungswiderstand wird ein vorgegebener Strom durch die Vorschaltdioden gezogen,
so daß an den Vorschaltdioden ein definierter Spannungsabfall entsteht, der Kollektor
des Rückkopplungstransistors also auf einem höheren Potential liegt als der Kollektor
des Verstärkertransistors, während der Kollektor des Verstärkertransistors wiederum
auf einem höheren Potential liegt als dessen Basis.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Auführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen elektronischen, berührungslos arbeitenden Schaltgerätes
und Fig. 2 den Oszillator des elektronischen Schaltgerätes nach Fig. 1.
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flas in der Fig. 1 dargestellte elektronische Schaltgerät 1 arbeitet
berührungslos, d.h. es spricht auf ein sich annäherndes, in der Fig. nicht dargestelltes
Metallteil an, und ist über einen Außenleiter 2 mit einem Pol 3 einer Spannungsquelle
4 und nur über einen weiteren Außenleiter 5 mit einem Anschluß 6 eines Verbrauchers
7 verbindbar, wobei der andere Anschluß 8 des Verbrauchers 7 an den anderen Pol
9 der Spannungsquelle 4 angeschlossen ist.
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In seinem grundsätzlichen Aufbau besteht das in der Fig. 1 dargestellte
elektronische, d.h. kontaktlose Schaltgerät 1 aus einem von außen, nämlich durch
das Metallteil, beeinflußbaren, d.h. bedgmpfbaren Oszillator lo, einem von dem Oszillator
10 über eine Kippstufe 11 steuerbaren Thyristor 12 (oder einem anderen elektronischen
Schalter) und einer Speiseschaltung 13 zur Erzeugung der Hilfsspannung für den Oszillator
10 und die Kippstufe 11.
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Wie die Fig. 2 zeigt, weist der Oszillator 1o zunächst einen Verstärkertransistor
14 und einen im Kollektorkreis des Verstärkertransistors 14 liegenden Parallelschwingkreis
15 auf.
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Ver Parallelschwingkreis 15 besteht aus einer Schwingkreisinduktivität
16, einer Schwingkreiskapazität 17 und einem Verlustwiderstand 18. In der praktischen
Ausführung wird der Parallelschwingkreis 15 durch eine einzige Spule dargestellt.
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Diese Spule stellt also sowohl die Schwingkreisinduktivität 16 als
auch die Schwingkreiskapazität 17 und schließlich den Verlustwiderstand 18 dar.
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Erfindungsgemäß ist der Kollektor 19 des Verstärkertransistors 14
über eine Rückkopplungsschaltung 20 ohne Phasendrehung auf den Emitter 21 des Verstärkertransistors
14 rückgekoppelt und liegt die Basis 22 des Verstärkertransistors 14 auf einem festen,
also zeitlich unveränderlichen Potential. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltgerät 1 wird der Verstärkertransistor 14 also emittergesteuert betrieben.
Dadurch, daß
zwischen dem Emitter 21 des Verstärkertransistors
14 und dessen Kollektor 19 keine Phasendrehung auftritt, braucht auch mit der Rückkopplungsschaltung
20 keine Phasendrehung erreicht werden, eine Rückkopplungsinduktivität (oder Rückkopplungskapazität)
wird also nicht benötigt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rückkopplungsschaltung
20 einen als Emitterfolger geschalteten Rückkopplungstransistor 23 auf, ist der
Emitter 24 des Rückkopplungstransistors 23 Uber einen aus zwei Spannungsteilerwiderständen
25, 26 bestehenden Spannungsteiler 27 mit dem Minuspol 28 der Hilfsspannung verbunden
und ist der Emitter 21 des Verstärkertransistors 14 Über einen Emitterwiderstand
29 an den Abgriff 3o des Spannungsteilers 27 angeschlossen.
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Da die Basis 22 des Verstärkertransistors 14 erfindungsgemäß auf einem
festen, also zeitlich unveränderlichen Potential liegt, liegt auch der Emitter 21
des Verstärkertransistors 14 auf einem zeitlich unveränderlichen Potential; der
Verstärkertransistor 14 ist also stromgesteuert, und zwar vom Abgriff 3o des Spannungsteilers
27 über den Emitterwiderstand 29. Am Abgriff 30 des Spannungsteilers 27 liegt nämlich
die hochfrequente Wechselspannung (ca. 250 bis 500 kHz), die vom Kollektor 19 des
Verstärkertransistors 14 über den als Emitterfolger geschalteten Rückkopplungstransistor
23 und den Spannungsteiler 27 an den Abgriff 3o des Spannungsteilers 27 gelangt.
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Durch den Emitterwiderstand 29 und die beiden Spannungsteiler-Widerstände
25, 26 des Spannungsteilers 27 wird ein Rückkopplungsfaktor festgelegt, der dem
Sollwert des Schaltabstandes entsprechen soll. In der Praxis treten Jedoch durch
die Toleranzen der Bauteile bedingte Abweichungen des Istwertes des Schaltabstandes
von dessen Sollwert auf, so daß ein Abgleich erforderlich ist. Bei der zuvor beschriebenen
Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerätes besteht die
Möglichkeit, diesen Abgleich in beiden Richtungen vorzunehmen, also den Schaltabstand
zu vergrößern oder zu verkleinern, und zwar dadurch, daß entweder dem einen oder
dem anderen Spannungsteilerwiderstand 25 bzw. 26 ein Abgleichwiderstand 31 parallel
geschaltet wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abgleichwiderstand
31 dem Spannungsteiler widerstand 26 parallel geschaltet. Der Schaltabstand kann
im Übrigen auch durch Parallelschaltung des Abgleichwiderstandes 31 zum Emitterwiderstand
29 verkleinert werden.
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Wie die Fig. 2 zeigt, ist dem Emitterwiderstand 29 eine Temperaturkompensationsschaltung
32 aus einem NTC-Widerstand 33 und einem Anpassungswiderstand 34 parallel geschaltet.
Die Temperaturkompensationsschaltung 32 dient vor allem der Kompensation der Temperaturabhängigkeit
des Verlustwiderstandes 18 des Parallelschwingkreises 15.
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Schließlich ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Basis 22
des Verstärkertransistors 14 über zwei Vorschaltdioden 35, 36
mit
dem Pluspol 37 der Hilfsspannung verbunden und ist der im Kollektorkreis des Verstärkertransistors
14 angeordnete Parallelschwingkreis 15 an die Verbindung der beiden Vorschaltdioden
35, 36 angeschlossen. Die Kathode 38 der Vorschaltdiode 35 ist über einen Belastungswiderstand
39 mit dem Emitter 21 des Verstärkertransistors 14 verbunden. Im übrigen ist als
Vorschaltdiode 35 bzw. 36 jeweils die Basis-Emitter-Strecke 40 bzw. 41 eines Transistors
42 bzw. 43 vorgesehen, dessen Kollektor 44 bzw. 45 mit dessen Basis 46 bzw.
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47 verbunden ist.
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Durch die zuletzt beschriebenen Maßnahmen wird eine Vergrößerung der
Amplitude der von dem Oszillator lo erzeugten Wechselspannung erreicht. Durch den
Belastungswiderstand 39 wird ein vorgegebener Strom durch die Vorschaltdioden 35,
36 gezogen, so daß an den Vorschaltdioden 35, 36 ein definierter Spannungsabfall
entsteht, der Kollektor 48 des RUckkopplungstransistors 23 also auf einem höheren
Potential liegt als der Kollektor 19 des Verstärkertransistors 14, während der Kollektor
19 des Verstärkertransistors 14 wiederum auf einem höheren Potential liegt als dessen
Basis 22.
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Im übrigen ist bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltgerät
1 eingangsseitig noch eine Gleichrichterbrücke 49 vorgesehen, da die Spannungsquelle
4 Wechselspannung führt.