DE2539765B1

DE2539765B1 - Kapazitiver Annaeherungsschalter

Info

Publication number: DE2539765B1
Application number: DE19752539765
Authority: DE
Inventors: Werner Arnold; Erich Gerum
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1975-09-06
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2366651B1; GB1548159A; DE2539765C2; FR2366651A1

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Annäherungsschalter mit Hochfrequenzsender, Verstärker, Entstörfilter, Gleichrichter, Schmitt-Trigger und Stellglied.

Annäherungsschalter sind an sich bereits bekannt. So gibt es elektromagnetische Annäherungsschalter, die mit zwei miteinander gekoppelten Spulen arbeiten. Führt man zwischen die beiden Spulen ein elektrisch leitendes Abschirmblech ein, so nimmt die Rückkoppelungswirkung zwischen den Spulen ab. Als Folge wird über eine Auswerteschaltung ein Ausgangssignal erzeugt Es sind auch bereits kapazitive Annäherungsschalter beschrieben worden. Mittels eines kapazitiven Fühlers wird dabei eine Parallelkapazität in einen Oszillatorkreis eingespeist Durch die Annäherung einer Person an den kapazitiven Fühler wird eine Kapazitätsänderung in dem Oszillatorkreis hervorgerufen. Durch eine entsprechende Auswerteschaltung, die z. B. nach dem Schwebungssummerprinzip arbeiten kann, wird ein Relais betätigt Die Nachteile der bisher bekanntgewordenen Annäherungsschalter bestehen in aufwendigem und damit teurem Schaltungsaufwand, in ihrer Störanfälligkeit und insbesondere in ihrer geringen Reichweite.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen für die Massenfertigung geeigneten kapazitiven Annäherungsschalter mit großer Reichweite zu schaffen, der betriebssicher und mit geringem Schaltungsaufwand preiswert herzustellen ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen einem Hochfrequenzsender und einem Empfänger ein Streufeldkondensator geschaltet ist, der zum Aussenden und Empfang eines Sendersignals und zur Erfassung einer Änderung des Sendersignals aufgrund eines sich annähernden Körpers dient, wobei die eine Platte des Kondensators mit dem Ausgang des Senders und die andere Platte mit dem Eingang des Empfängers verbunden ist, daß zwischen Hochfrequenzsender und dem Empfänger eine Kompensationsschaltung vorgesehen ist und daß ein Teil der Senderspannung mittels Kompensationsschaltung dem Empfänger zugeführt wird, derart, daß bei ungestörtem Streufeld die Spannung am Empfänger kompensiert wird.

Der Hochfrequenzsender gibt sinusförmige Schwingungen ab und arbeitet dabei in zwangssynchronisiertem Impulsbetrieb. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind dem Empfänger ein Hochpaßglied, ein Verstärker, eine Gleichrichterstufe, ein Gleichspannungsverstärker, ein Schmitt-Trigger und ein Stellglied nachgeschaltet. Die Kompensationsschaltung besteht in vorteilhafter Weise aus einer induktiven Kompensationsschaltung. In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Ausführung des Streufeldkondensators so getroffen, daß seine Eigenkapazität etwa gleich seiner Streukapazität ist. Außerdem sind die beiden Platten des Streufeldkondensators einander in ■großem Abstand und nicht einander gegenüber parallel zugeordnet.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Gleichrichterstufe ein Differenzierglied, ein Niederfrequenzverstärker, eine Ladestufe, ein Impedanzwandler, ein Schmitt-Trigger und ein Stellglied nachgeordnet. Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß unter Umgehung des Differenzierglieds, des Niederfrequenzverstärkers, der Ladestufe und des Impedanzwandlers zwischen dem Kondensator der Gleichrichterstufe und dem Schmitt-Trigger ein Oder-Glied geschaltet ist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß dem Sender ein Empfänger zugeordnet ist, daß zwischen dem Hochfrequenzsender und dem Empfänger ein Streufeldkondensator vorgesehen ist, und daß zwischen Hochfrequenzsender und dem Empfänger eine Kompensationsschaltung einen Teil der Senderspannung dem Empfänger zuführt. Durch das Zusammenwirken von Hochfrequenzsender, Streufeldkondensator, Empfänger und Kompensationsschaltung wird insbesondere eine sehr große Reichweite des Annäherungsschalters erzielt. Durch Impulsbetrieb des Senders oder des Empfängers wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Durch die Ausführung des Streufeldkondensators und der Kompensationsspule sowie durch die Auslegung der Auswerteschaltung ist eine preiswerte Massenherstellung möglich und nur ein geringer Justageaufwand erforderlich.

Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen bei Annäherungsschaltern, bei denen beispielsweise die Kapazität des menschlichen Körpers oder die im Körper statisch vorhandene Netzwechselspannung zum Auslösen eines Schaltvorganges benutzt wurde, führt bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungsschalter die Änderung eines Sendersignals, also beispielsweise eine Schwächung, durch die Verarbeitung in einem Empfänger und einer nachgeordneten Auswerteschaltung zur Auslösung eines Schaltvorganges. Diese Änderung des Sendersignals wird durch den erfindungsgemäßen Streufeldkondensator erreicht, der zwischen Sender und Empfänger geschaltet ist. Außerdem wird durch das

Vorsehen der Kompensationsschaltung zwischen Hochfrequenzsender und Empfänger nur die Änderung des Sendersignals weiter verarbeitet, eine Maßnahme, die eine technisch und finanziell vertretbare Lösung überhaupt erst ermöglicht Es ist dadurch eine erheblich größere Verstärkung der Änderung des Sendersignals möglich, ohne einen zu großen technischen Aufwand bei der nachfolgenden Auswerteschaltung treiben zu müssen. Der erfindungsgemäße Annäherungsschalter kann beispielsweise zur Schaltung einer Lichtquelle, einer Überwachungseinrichtung, eines Händetrockners, von Magnetschaltern usw. verwendet werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters mit einer Kompensationsschaltung, wobei die Auswertung des Änderungssignals nach dem statischen Prinzip erfolgt,

F i g. 2 den erfindungsgemäßen Annäherungsschalter mit einer weiteren Kompensationsschaltung, wobei die Auswertung des Änderungssignals ebenfalls nach dem statischen Prinzip erfolgt,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungsschalters in schematischer Darstellung, wobei die Auswertung des Änderungssignals nach dem dynamischen Prinzip vorgenommen wird,

F i g. 4 die Schaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig.3,

F i g. 5 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 und 4,

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel des Streufeldkondensators,

F i g. 7, 8, 9 ein weiteres abstimmbares Ausführungsbeispiel des Streufeldkondensators,

F i g. 10 ein Ausführungsbeispiel der Kompensationsspule und

F i g. 11 eine abstimmbare Kompensationsspule.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungsschalters dargestellt. Einem Hochfrequenzsender 1 ist ein Empfänger 2 zugeordnet. Diesem Empfänger ist ein Hochpaßglied 3, ein Verstärker 4 und eine Gleichrichterstufe 5 nachgeordnet, durch die ein Ladekondensator 6 gespeist wird. Zur Auswertung des Änderungssignals nach dem statischen Prinzip, das später noch näher erläutert wird, ist in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 der Gleichrichterstufe 5 ein Gleichspannungsverstärker 7, ein Schmitt-Trigger 8 und ein Stellglied 9 nachgeschaltet.

Der Hochfrequenzsender 1 ist aus einem Transistor 10, Kondensatoren 11,12, Widerständen 13 und 14, einer Senderspule 15 und der einen Platte 16 eines Streufeldkondensators aufgebaut. Die andere Platte 17 dieses Streufeldkondensators ist Bestandteil des Empfängers 2. Dieser Empfänger besteht außerdem noch aus dem Feldeffekttransistor 18 und Widerständen 19, 20 und 21.

Das dem Empfänger 2 nachgeordnete Hochpaßglied βο 3 besteht aus einem Kondensator 22, einem Widerstand 23 und dem Basis-Emitter-Widerstand eines Transistors 24. Der dem Hochpaßglied 3 nachgeschaltete Verstärker 4 ist aus einem Transistor 24, Widerständen 25 und 26, sowie dem Kondensator 27 aufgebaut. Eine dem Verstärker 4 nachgeschaltete Gleichrichterstufe 5 besteht aus einem Transistor 28, Widerständen 29 und 30 und dem Ladekondensator 6. Ein der Gleichrichterstufe 5 nachgeschalteter Gleichspannungsverstärker 7 setzt sich aus einem Transistor 31 und Widerständen 32 und 33 zusammen. Dem Gleichspannungsverstärker 7 wiederum ist ein Schmitt-Trigger 8 nachgeschaltet, der aus Transistoren 34, 35 sowie Widerständen 36, 37, 38 und 39 besteht. An den Schmitt-Trigger 8 schließt sich ein Stellglied 9 an, das nicht näher dargestellt ist

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles eines kapazitiven Annäherungsschalters nach F i g. 1 soll nun nachfolgend noch näher geschildert werden. Für den Hochfrequenzsender kann ein Sender einfachster Bauart verwendet werden, sein Aufbau ist daher unkritisch und mit preiswerten Bauelementen zu bewerkstelligen, da die Senderfrequenz nicht kritisch ist, d. h. der Einfluß des Abweichens nach unten oder oben von der vorgesehenen Senderfrequenz ist zu vernachlässigen, da das Funktionieren des Annäherungsschalters dadurch nicht beeinträchtigt wird. Zur Erzielung einer geringen Störanfälligkeit bzw. einer hohen Betriebssicherheit arbeitet der Hochfrequenzsender 1 beispielsweise in Abhängigkeit von der Netzfrequenz in zwangssynchronisiertem Impulsbetrieb, der jedoch in F i g. 1 nicht dargestellt ist. Statt den Sender 1 im Impulsbetrieb arbeiten zu lassen, ist es genau so gut möglich, einen zwangssynchronisierten Impulsbetrieb bei dem Empfänger durchzuführen. Durch den Impulsbetrieb ist es möglich, den Einfluß von hochfrequenten Störspannungen auszuschalten, wie sie beispielsweise durch elektronische Schalter wie Triac verursacht werden. Die Umschaltimpulse dieser elektronischen Schalter können unter ungünstigen Umständen störend auf das Feld einwirken, das zwischen der zu dem Sender 1 gehörenden Platte 16 des Streufeldkondensators und der zu dem Empfänger 2 gehörenden Platte 17 des Streufeldkondensators vorhanden ist Da der Zeitpunkt der Umschaltimpulse dieser elektronischen Schalter normalerweise konstant ist, besteht durch geeignete Wahl des Impulsbetriebes die Möglichkeit, den Sender 1 für bestimmte Phasenabschnitte abzuschalten, d. h. einen Impulsbetrieb durchzuführen. Der Hochfrequenzsender kann generell Schwingungen von beliebiger Form abgeben, jedoch ist es für die einwandfreie Funktion des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters bzw. der nachstehend noch näher geschilderten Kompensation vorteilhaft, daß der Sender Sinusschwingungen abgibt.

Die von dem Hochfrequenzsender 1 mittels der Platte 16 abgegebenen Schwingungen werden von dem Empfänger 2 mittels der Platte 17 des Streufeldkondensators aufgenommen. Der Empfänger 2 ist durch seinen Feldeffekttransistor 18 gleichzeitig als Verstärker ausgebildet. Zwischen dem Hochfrequenzsender 1 und dem Empfänger 2 besteht also zwischen den Platten 16 und 17 des Streufeldkondensator ein Feld bei der Übertragung des Sendersignals auf den Empfänger. Die Form und die Reichweite dieses Feldes sind einmal von der angelegten Spannung an der Senderplatte des Streufeldkondensators und in erheblichem Ausmaß von der Gestaltung der beiden Platten des Streufeldkondensators sowie von ihrer gegenseitigen Lage zueinander abhängig. Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß dabei die Flächengröße der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators sowie der gegenseitige Abstand dieser Platten so zu wählen sind, daß die Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich seiner Streukapazität ist. Der Abstand der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators ist dabei relativ gesehen sehr groß, wenn man sie mit dem Abstand der Kondensator-

beläge eines üblichen Kondensators vergleicht. Während bei einem normalen Kondensator möglichst große Kondensatorbelagsflächen einander in möglichst geringem Abstand gegenüberstehen, haben die Platten des erfindungsgemäßen Streufeldkondensators zueinander einen großen Abstand, der bis zu einigen -zig Zentimetern gehen kann.

Die beiden Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators sind nicht einander gegenüber parallel zugeordnet, d. h. die beiden Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators liegen sich nicht wie bei einem üblichen Kondensator parallel gegenüber. Die beiden Platten 16 und 17 können vielmehr jede beliebige Neigung zueinander haben. Die beiden Platten 16 und 17 sind in dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 6, 7, 8 und 9 in einer Ebene angeordnet Jedoch ist es auch jederzeit möglich, die Platten 16 und 17 in verschiedenen Ebenen anzuordnen, wobei zwar die Ebenen zueinander parallel sein können, sich jedoch die beiden Plattenbeläge nicht parallel gegenüberliegen, weil die Belagsflächen entsprechend gegeneinander seitenverschoben angebracht sind, so daß sich die beiden Plattenbeläge nicht parallel gegenüberstehen. Eine Veränderung der Winkellage der beiden Plattenflächen 16 und 17 zueinander bedingt eine Veränderung des zwischen dem Sender 1 bzw. der Plattenfläche 16 und dem Empfänger 2 bzw. der Plattenfläche 17 bestehenden Feldes in Form und Größe.

Im Gegensatz zum normalen Kondensator, der über möglichst große Plattenflächen verfügt, beträgt die Größe der Plattenflächen 16 und 17 des Streufeldkondensators nur einige cm². Sowohl die Auswahl der Größe der Plattenflächen des Streufeldkondensators wie auch ihr gegenseitiger Abstand zueinander wird so getroffen, daß die Größe der Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich der Größe seiner Streukapazität ist. - -

Der Streufeldkondensator läßt sich besonders preiswert herstellen, wenn er beispielsweise aus kaschiertem Leiterplattenmaterial gefertigt wird. Es ist dazu lediglich erforderlich, die beiden Plattenflächen aus dem Leiterplattenmaterial herauszuätzen. Selbstverständlich können auch andere geeignete Metallbeläge die beiden Platten 16 und 17 des Kondensators bilden. Die Plattenbeläge müssen sich lediglich auf einem isolierenden Träger befinden. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Streufeldkondensators ist in F i g. 6 dargestellt. Die beiden Beläge 16 und 17 des Streufeldkondensators sitzen auf einem isolierenden Träger 41, so daß sie elektrisch voneinander getrennt sind. Bei Verwendung von kaschiertem Leiterplattenmaterial muß lediglich der gewünschte Abstand zwischen den beiden Platten 16 und 17 durch Abätzen des Leiterplattenmaterials hergestellt werden. Die beiden Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators können sich dabei auf einem Träger, wie in F i g. 6 dargestellt, oder auf zwei getrennten Trägern befinden, wie in F i g. 7 dargestellt Dort sitzen die beiden Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators auf den isolierenden Trägern 42 und 43.

Durch die Anordnung der beiden Platten 16 und 17 auf getrennten Trägern besteht die Möglichkeit mindestens einen Träger der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators gegenüber der anderen Platte verdrehb' ar anzuordnen, wie aus F i g. 7 ersichtlich ist. Zu diesem Zweck wird der Träger 42 mit dem Plattenbelag 17 beispielsweise mittels einer Abstandsrolle 44 und einer geeigneten Schraube 45 auf einer Grundplatte 46 befestigt. Selbstverständlich kann auch der zweite Plattenbeleg 16 mit seinem Träger 43 in gleicher Weise drehbeweglich auf der Grundplatte 46 befestigt werden. Diese Verdrehbarkeit der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators gegeneinander ermöglicht die Abstimmbarkeit der kapazitiven Spannungskomponente. Außerdem wird durch die Lageveränderung mittels Verdrehen des einen Kondensatorbelages gegenüber dem anderen die Form des zwischen den beiden Platten 16 und 17 bestehenden Feldes verändert. Die Grundplatte 46 dient gleichzeitig zur Anordnung und als Träger für die gesamte Schaltung des kapazitiven Annäherungsschalters, also des Senders 1, des Empfängers 2, des Hochpaßgliedes 3, des Verstärkers 4, der Gleichrichterstufe 5, des Gleichspannungsverstärkers 7, des Schmitt-Triggers 8 und des Stellgliedes 9. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde jedoch die Anordnung dieser Baugruppen auf der Grundplatte 46 in den F i g. 7, 8 und 9 nicht dargestellt. Für die Grundplatte 46 wird man je nach Verwendungszweck eine rechteckige, eine kreisförmige oder eine andere geeignete Form wählen.

Zwischen dem Hochfrequenzsender 1 und dem Empfänger 2 bzw. dem nachgeschalteten Verstärker 4 ist außerdem eine Kompensationsschaltung vorgesehen. Mit Hilfe dieser Kompensationsschaltung wird ein Teil der Senderspannung dem Empfänger 2 bzw. dem nachgeschalteten Verstärker 4 zugeführt. Sehr wesentlich für die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters ist nun das Zusammenwirken des Hochfrequenzsenders 1, des Streufeldkondensators, des Empfängers 2 und der Kompensationsschaltung. Die von der Platte 17 des Streufeldkondensators empfangene Wechselspannung des Senders 1 erreicht ihren höchsten Wert, wenn das Feld des Streufeldkondensators zwischen seinen beiden Platten 16 und 17 ungestört ist. Dieses Feld erstreckt sich dabei senkrecht zu den beiden Kondensatorplatten 16 und 17, wie aus Fig.7 ersichtlich ist. Die Reichweite dieses Feldes kann bei entsprechender Gestaltung des Streufeldköndensators sowie einer entsprechenden Spannung an den beiden Platten des Kondensators bis zu einigen -zig Zentimetern betragen.

Bringt man nun einen Körper in das Feld zwischen den beiden Kondensatorplatten 16 und 17 ein, so wird die Feldlinienverteilung gestört, d. h. bringt man in das Feld einen nicht hochisolierenden Körper, wie z. B. eine Handfläche, so wird das Feld abgeschwächt. Dadurch wird auch das von dem Empfänger mittels der Platte 17 des Streufeldkondensators aufgenommene Signal des Senders 1 geschwächt. Der Streufeldkondensator dient somit mittels seiner Platte 16 einmal zum Aussenden des Sendersignals und mittels seiner Platte 17 zum Empfang dieses Sendersignals durch den Empfänger und zum zweiten dient er gleichzeitig der Erfassung einer Änderung des Sendersignals aufgrund eines sich annähernden Körpers. Da der Empfänger 2 ein maximales Sendersignal aufnimmt, wenn der Feldlinienverlauf des Streufeldkondensators nicht gestört ist, sollte das am Transistor 24 des Verstärkers 4 liegende Ausgangssignal ein Minimum bilden, damit auch noch die Änderung des Sendersignals bei Störung des Feldlinienverlaufs des Streufeldkondensators verarbeitet werden kann. Um das volle Sendersignal und die im Verhältnis dazu relativ kleine Änderung des Sendersignals bei Annäherung eines Körpers einwandfrei weiterverarbeiten zu können, müßte für die nachfolgende Auswerteschaltung ein nicht mehr vertretbarer

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technischer Aufwand getrieben werden, der außerdem außerordentlich hohe Kosten verursachen würde.

Um diesen Nachteil zu vermeiden ist die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung zwischen dem Hochfrequenzsender 1 und dem Empfänger 2 bzw. dem nachgeschalteten Verstärker 4 vorgesehen. Diese Kompensationsschaltung arbeitet wie folgt. Aufgrund der kleinen Plattenflächen des Streufeldkondensators und der gegenseitigen Zuordnung der Platten in großem Abstand besitzt der Streufeldkondensator nur eine kleine Kapazität. Verursacht durch diese kleine Kapazität des Streufeldkondensators liegt am Gate des Feldeffekttransistors 18 des Empfängers eine Wechselspannung, die fast genau um — 90° zur Senderspannung verschoben ist. Ordnet man nun der Senderspule 15 des Hochfrequenzsenders 1 eine weitere Spule mit geringer Induktivität zu, so wird die in dieser Spule erzeugte Spannung um fast genau + 90° vorauseilen, d. h. diese Spule wirkt fast nur induktiv. Führt man nun die induktive Spannungskomponente der der Senderspule 15 zugeordneten Kompensationsspule 47 mit der kapazitiven Spannungskomponente des Streufeldkondensators zusammen, so lassen sich die beiden Komponenten fast hunderprozentig substraktiv oder additiv zusammenschalten. In der in F i g. 1 dargestellten Schaltung heben sich die beiden Spannungen auf. Das bedeutet, daß die Verstärkung des Empfängersignals gegenüber einer unkompensierten Ausführung wesentlich höhere Werte annehmen kann. Durch diese Kompensation wird eine größere Reichweite und eine größere Empfindlichkeit des Annäherungsschalters ermöglicht. Die Kompensationsschaltung ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel als induktive Kompensationsschaltung ausgeführt. Es wäre jedoch auch eine kapazitive Kompensation mit einem Phasenschieber möglich. Die induktive Kompensationsschaltung besteht aus der Kompensationsspule 47, die der Senderspule 15 zugeordnet ist, wobei das eine Ende der Kompensationsspule an dem Emitter des Transistors 24 des Verstärkers 4 liegt, während das andere Ende der Kompensationsspule wechselspannungsmäßig auf Null-Potential liegt.

Die Wirkung der vorgesehenen Kompensationsschaltung besteht darin, daß bei ungestörtem Feldlinienverlauf des Streufeldkondensators die Spannung an der Gleichrichterstufe 5 gleich Null ist, da die kapazitive Spannungskomponente des Streufeldkondensators durch die induktive Spannungskomponente der Kompensationsspule aufgehoben wird. Es muß also nur die Änderung des Signals durch die Auswerteschaltung weiterverarbeitet werden, wenn das Feld des Streufeldkondensators durch einen sich nähernden Körper geschwächt wird. Diese Änderungsspannung ist im Verhältnis zu dem Gesamtsignal an den Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators sehr viel kleiner, so daß bei der Auslegung der Auswerteschaltung die technischen und finanziellen Anforderungen entsprechend geringer sind. Bei Annäherung eines Körpers an das Feld des Streufeldkondensators wird nur die kapazitive Komponente geschwächt, als Folge überwiegt die induktive Komponente, die Spannung steigt an und ergibt so ein verwertbares Signal.

Aus F i g. 2 ist eine weitere induktive Kompensationsschaltung ersichtlich. Die übrige Schaltung des Annäherungsschalters ist mit der Schaltung der F i g. 1 identisch. Diese weitere induktive Kompensationsschaltung umfaßt eine der Senderspule 15 zugeordnete Kompensationsspule 47, wobei das eine Ende der Kompensationsspule wechselspannungsmäßig auf Null-Potential liegt, während das andere Ende über ein Phasenkorrekturglied, das aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 48 und eines Kondensators 49 besteht, und über einen Koppelkondensator 50 an der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 18 des Empfängers 2 liegt Bei dieser weiteren induktiven Kompensationsschaltung ist die Phasenlage der induktiven Spannungskomponente mit Hilfe des Phasenkorrekturgliedes so abgestimmt, daß auf die von dem Streufeldkondensator gelieferte kapazitive Spannungskomponente in dem Feldeffekttransistor 18 genau die entgegengesetzte Wirkung ausgeübt wird, so daß am Drain dieses Feldeffekttransistors die Differenz der beiden Spannungen zu Null wird.

Bei Annäherung eines Körpers an das Feld des Streufeldkondensators wird wiederum nur die kapazitive Spannungskomponente beeinflußt bzw. geschwächt, so daß die induktive Komponente überwiegt und als Nutzsignal für die nachfolgende Auswerteschaltung zur Verfügung steht.

Die der Senderspule 15 zugeordnete Kompensationsspule 47 kann beispielsweise als gedruckte Spule auf einer kaschierten Leiterplatte 52 ausgeführt sein, wie aus den F i g. 10 und 11 ersichtlich ist. Die Ausätzung der Kompensationsspule auf einer kaschierten Leiterplatte ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Kompensationsspule im Zuge der Erstellung der Leiterplatine für die Auswerteschaltung. Die Justage der induktiven Spannungskomponente kann durch einen im Zentrum der Kompensationsspule eindrehbaren Ferritkern 51 erfolgen, auf dessen anderes Ende beispielsweise die Senderspule 15 aufgewickelt ist. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Sender- und die Kompensationsspule zusammen auf einen Spulenkörper gewickelt.

Die Justage der induktiven Spannungskomponente kann dadurch erfolgen, daß die letzten Windungen der Kompensationsspule entgegengesetzt gewickelt sind. Das Wicklungsende wird dann zu Justagezwecken einfach abgezogen, bis die gewünschte induktive Spannungskomponente erreicht ist.

Eine weitere Justagemöglichkeit ist durch den Streufeldkondensator gegeben. Wie aus den F i g. 7 bis 9 zu ersehen ist, kann mindestens einer der Träger 42 bzw. 43 der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators verdreht werden. Durch diese Lageveränderung der Platten des Streufeldkondensators ist eine Justage der kapazitiven Spannungskomponente durchführbar. Die Justage des kapazitiven Annäherungsschalters erfolgt für ein Dielektrikum des Streufeldkondensators, das überwiegend aus Luft besteht Bei der Justage des Annäherungsschalters kann jedoch schon bei der Herstellung berücksichtigt werden, daß sich der Annäherungsschalter später beispielsweise in einem Gehäuse aus Kunststoff befindet Diese Isolierstoffschicht 53 kann entweder direkt auf den Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators aufgebracht sein oder sie befindet sich in einem gewissen Abstand vor den Platten des Streufeldkondensators. Dieser letztere Fall ist in F i g. 9 dargestellt. Allgemein kann gesagt werden, daß durch die geschilderten Maßnahmen der Justage entweder mittels des Streufeldkondensators oder mittels der Kompensationsspule eine sehr einfache und preiswerte Justage möglich ist. Außerdem kann der Einfluß einer vor den Platten des Streufeldkondensators liegenden Isolierstoffschicht bereits bei dem Herstellungsprozeß berücksichtigt werden.

Das in den F i g. 1 und 2 vorgesehene Hochpaßglied 3 dient dazu, eventuelle Netzbrummüberlagerungen aus-

zusperren. Das verstärkte Änderungssignal wird dann der Gleichrichterstufe 5 zugeführt, wo es gleichgerichtet wird und in dem Ladekondensator 6 gespeichert wird. Nach der Gleichrichterstufe 5 folgt nun eine Auswerteschaltung, die aus dem Gleichspannungsverstärker 7, dem Schmitt-Trigger 8 und dem Stellglied 9 besteht Diese Auswerteschaltung verarbeitet das Änderungssignal nach dem statischen Prinzip, d. h. in diesem Fall wird die verstärkte Wechselspannung des Änderungssignals betragsmäßig ausgewertet. Diese betragsmäßige Auswertung ist bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 gezeigt Das in der Gleichrichterstufe 5 gleichgerichtete Signal steuert dabei über den Gleichspannungsverstärker 7 einen Schmitt-Trigger 8 und ein Stellglied 9. Das Stellglied kann beispielsweise aus einem Relais oder einem Triac usw. bestehen.

Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Annäherungsschalters in schematischer Darstellung, wobei die Auswertung des Änderungssignals nach dem dynamischen Prinzip vorgenommen wird. Dabei ist dem Sender 1 ein Empfänger 2 zugeordnet Diesem nachgeordnet ist ein Hochpaßglied 3, ein Verstärker 4 und eine Gleichrichterstufe 5. Diese fünf Stufen sind identisch mit den Schaltungen, die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind. Nach der Gleichrichterstufe 5 erfolgt nun die Auswertung des Änderungssignals des Streufeldkondensators nach dem dynamischen Prinzip, d. h. es wird in diesem Fall die Änderung in der Zeit durch ein Differenzierglied nach der Beziehung UBb = dUvldt erzeugt Ub ist die erzeugte Spannung in der Bewegungsfrequenz, also beispielsweise erzeugt durch eine in dem Feld des Streufeldkondensators bewegte Hand; dU ist die Spannungsänderung der Hochfrequenz an der empfängerseitigen Kondensatorplatte; dt gibt die zeitliche Änderung und K die Verstärkung bis zum Differenzierglied wieder. Hier wird also nicht die betragsmäßige Erfassung sondern die Änderung in der Zeit des Änderungssignals zum Auslösen eines Schaltvorganges verwertet. Die der Gleichrichterstufe 5 nachgeordnete Auswerteschaltung nach dem dynamischen Prinzip besteht aus einem Differenzierglied 54, einem Niederfrequenzverstärker 55, einer Ladestufe 56, einem Impedanzwandler 57, dem Schmitt-Trigger 8 und dem Stellglied 9.

Die Schaltungsausführung der dynamischen Auswerteschaltung nach Fig.3 ist in Fig.4 gezeigt Das der Gleichrichterstufe nachgeordnete Differenzierglied 54 besteht aus einem Kondensator 58 und einem Widerstand 59. Der Widerstand 60 dient zusammen mit dem Widerstand 59 als Spannungsteiler zur Arbeitspunkteinstellung für den Transistor 61. Dem Differenzierglied 54 ist ein Niederfrequenzverstärker 55 nachgeordnet Der Niederfrequenzverstärker besteht aus den Komplementärtransistoren 61 und 62, Widerständen 63,64 und 65 und einem Kondensator 66. Dem Niederfrequenzverstärker 55 ist eine Ladestufe 56 nachgeordnet, die aus einem Transistor 67, einem Widerstand 68 und einem Kondensator 69 besteht. Dieser Ladestufe wiederum ist ein Impedanzwandler 57 nachgeordnet der aus einem Transistor 70 und Widerständen 71 und 72 besteht. Dem Impedanzwander 57 ist der Schmitt-Trigger 8 und diesem wiederum ein Stellglied 9 nachgeordnet. Der Schmitt-Trigger 8 und das Stellglied 9 sind unverändert aus dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 übernommen.

Gegenüber der Auswertung des Änderungssignals nach dem statischen Prinzip, wie sie in den F i g. 1 und 2 gezeigt wurde, hat die Auswertung des Änderungssignals nach dem dynamischen Prinzip, wie sie aus den Fig.3 und 4 ersichtlich ist den Vorteil, daß bei der Kompensation bzw. Kompensationsschaltung die Bauteiltoleranzen unkritisch sind, d. h. die Kompensation muß nicht hundertprozentig ausgeglichen sein. Vorteilhaft ist die Auswertung des Änderungssignals nach dem dynamischen Prinzip auch deshalb, weil der Einfluß von Spannungsschwankungen und von Temperaturschwankungen auf die Bauteile der dynamischen Schaltung bezüglich der einwandfreien Funktion des Annäherungsschalters vernachlässigbar ist.

Das hat zur Folge, daß bei der Auswertung nach dem dynamischen Prinzip eine erhebliche Verringerung der Justage-Maßnahmen gegenüber dem statischen Prinzip möglich ist In Fig.5 ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach den F i g. 3 und 4 dargestellt. Bei der Auswertung des Änderungssignals nach dem dynamischen Prinzip könnte der Fall auftreten, daß beispielsweise Hände ruhig in unmittelbarer Nähe des Feldes der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators gehalten werden. Da sich in diesem Fall bei der dynamischen Auswertung keine Spannungsänderung in der Zeit ergeben würde, würde kein Ausgangssignal mehr vorhanden sein. Um eine Fehlschaltung des Stellgliedes 9 zu verhindern, ist deshalb zwischen dem Ladekondensator 6 der Gleichrichterstufe 5 und dem Schmitt-Trigger 8 unter Umgehung des Differenziergliedes 54, des Niederfrequenzverstärkers 55, der Ladestufe 56 und des Impedanzwandlers 57 ein Oder-Glied 73 geschaltet Dem Oder-Glied ist wiederum der Schmitt-Trigger 8 und das Stellglied 9 nachgeschaltet. Wird beispielsweise ein Gegenstand in dem Feld des Streufeldkondensators ruhig gehalten, so ist die Spannung an dem Ladekondensator 6 höher als bei ungestörtem Feld des Streufeldkondensators. Dieser Effekt einer erhöhten Spannung an dem Ladekondensator 6 wird durch das Oder-Glied 73 ausgenützt, und zwar dadurch, daß bei Überschreiten einer bestimmten Schwellenspannung das Oder-Glied 73 den Schmitt-Trigger 8 und damit das Stellglied 9 durchschaltet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Annäherungsschalter mit Hochfrequenzsender, Verstärker, Entstörfilter, Gleichrichter, Schmitt-Trigger und Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hochfrequenzsender (1) ein Empfänger (2) zugeordnet ist, daß zwischen dem Hochfrequenzsender und dem Empfänger ein Streufeldkondensator geschaltet ist, der zum Aussenden und Empfang eines Sendersignals und zur Erfassung einer Änderung des Sendersignals aufgrund eines sich annähernden Körpers dient, wobei die eine Platte (16) des Streufeldkondensators mit dem Ausgang des Senders und die andere Platte (17) mit dem Eingang des Empfängers verbunden ist, daß zwischen dem Hochfrequenzsender und dem Empfänger eine Kompensationsschaltung vorgesehen ist, und daß ein Teil der Senderspannung mittels Kompensationsschaltung dem Empfänger zugeführt wird, derart, daß bei ungestörtem Streufeld die Spannung am Empfänger kompensiert wird.

2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsender (1) aus einem Transistor (10), Kondensatoren (11, 12), Widerständen (13, 14), einer Senderspule (15) und der einen Platte (16) des Streufeldkondensators besteht.

3. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsender (1) in Abhängigkeit von der Netzfrequenz in zwangssynchronisiertem Impulsbetrieb arbeitet.

4. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsender (1) sinusförmige Schwingungen abgibt.

5. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) aus einem Feldeffekttransistör (18), Widerständen (19,20, 21) und der anderen Platte (17) des Streufeldkondensators besteht.

6. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (2) ein Hochpaßglied (3), ein Verstärker (4), eine Gleichrichterstufe (5), durch die ein Ladekondensator (6) gespeist wird, ein Gleichspannungsverstärker (7), ein Schmitt-Trigger (8) und ein Stellglied (9) nachgeschaltet ist.

7. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hochfrequenzsender (1) und dem Empfänger (2) eine induktive Kompensationsschaltung vorgesehen ist.

8. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kompensationsschaltung aus einer Kompensationsspule (47) besteht, die der Senderspule (15) zugeordnet ist, und daß das eine Ende der Kompensationsspule an dem Emnter des Transistors (24) des Verstärkers (4) liegt, während das andere Ende der Spule wechselspannungsmäßig auf Null-Potential liegt.

9. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kompensationsschaltung die der Senderspule (15) zugeordnete Kompensationsspule (47) umfaßt und daß das eine Ende der Kompensationsspule wechselspannungsmäßig auf Null-Potential liegt, während das andere Ende über einen Widerstand (48) mit parallelgeschaltetem Kondensator (49) und einen nachgeordneten Koppelkondensator (50) an der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors (18) des Empfängers (2) liegt

10. Annäherungsschalter nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich seiner Streukapazität ist.

11. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16, 17) des Streufeldkondensators einander in großem Abstand zugeordnet sind.

12. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (16,17) des Streufeldkondensators nicht einander gegenüber parallel zugeordnet sind.

13. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (16,17) des Streufeldkondensators in einer Ebene angeordnet sind.

14. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Platten (16,17) des Streufeldkondensators auf einem isolierenden Träger (41) befinden.

15. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Platten (16,17) des Streufeldkondensators auf zwei getrennten Trägern (42, 43) befinden.

16. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Träger (42,43) der Platten (16, 17) des Streufeldkondensators verdrehbar angeordnet ist.

17. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (16,17) des Streufeldkondensators aus kaschiertem Leiterplattenmaterial hergestellt sind.

18. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des Streufeldkondensators überwiegend aus Luft besteht.

19. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor den Platten (16, 17) des Streufeldkondensators eine Isolierstoffschicht (53) befindet.

20. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) als gedruckte Spule auf einer Leiterplatte ausgeführt ist.

21. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) mittels eines Ferritkernes (51) abstimmbar ist.

22. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19,21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) so ausgeführt ist. daß die letzten Windungen entgegengesetzt gewickelt sind.

23. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpaßglied (3) aus einem Kondensator (22), einem Widerstand (23) und dem Basis-Emitter-

Widerstand des Transistors (24) besteht.

24. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterstufe (5) aus einem Transistor (28), Widerständen (29, 30) und einem Kondensator (6) besteht

25. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsverstärker (7) aus einem Transistor (31) und Widerständen (32,33) besteht.

26. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterstufe (5) ein Differenzierglied (54), ein Niederfrequenzverstärker (55), eine Ladestufe (56), ein Impedanzwandler (57), der Schmitt-Trigger (8) und das Stellglied (9) nachgeordnet ist.

27. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24,26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestufe (56) aus einem Transistor (67), einem Widerstand (68) und einem Kondensator (69) besteht

28. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, 26, 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (57) aus einem Transistor (70) und Widerständen (71, 72) besteht

29. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß unter Umgehung des Differenziergliedes (54), des Niederfrequenzverstärkers (55), der Ladestufe (56) und des Impedanzwandlers (57) zwischen dem Kondensator (6) der Gleichrichterstufe (5) und dem Schmitt-Trigger (8) ein Oder-Glied (73) geschaltet ist.

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