DE7606607U1

DE7606607U1 - Annaeherungsschalter

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Publication number: DE7606607U1
Application number: DE19767606607
Authority: DE
Original assignee: FA DIEHL 8500 NUERNBERG
Current assignee: FA DIEHL 8500 NUERNBERG
Priority date: 1976-03-05
Filing date: 1976-03-05
Publication date: 1977-05-18
Also published as: FR2343261B3; IT1085908B; FR2343261A1

Description

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Gbm 200
Pr/Ra

DIEHL, Stephanstr. 49, 8500 Nürnberg

Annäherungsschalter

Annäherungsschalter sind an sich bereits bekannt, auch kapazitive Annäherungsschalter sind bereit 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 bekannt gewordenen Annäherungssehalter bestehen in ihrer Störanfälligkeit und Insbesondere in ihrer geringen Reichweite.

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Der Neuerung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen für die Massenfertigung geeigneten kapazitiven Annäherungsschalter mit großer Reichweite zu schaffen, der betriebssicher und preiswert herzustellen let.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß die Größe der Plattenflächen eines Streufeldkondensators derart gewählt ist, daß die Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich seiner Streukapazität ist, daß die Platten des Streufeldkondensators einander in großem Abstand zugeordnet sind und daß die beiden Platten des Streufeldkondensators nicht einander gegenüber parallel zugeordnet sind. In einer Ausführungsform der Neuerung sind die beiden Platten des Streufeldkondensators in einer Ebene angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel befinden sich die beiden Platten des Streufeldkondensators auf einem isolierenden Träger. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung sind die beiden Platten des Streufeldkondensators auf zwei getrennten Trägern angeordnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung bestehen darin, daß mindestens einer der Träger der Platten des Streufeldkondensators verdrehbar angebracht ist und daß die beiden Platten des Streufeldkondensators aus kaschiertem Leiterplattenmaterial hergestellt sind. In einer Ausbildung der Neuerung besteht das Dielektrikum des Streufeldkondensators überwiegend aus Luft. Eine Weiterbildung der Neuerung besteht darin, daß sich vor den Platten des Streufeldkondensators eine Isolierstoff schicht befindet.

Die Vorteile der Neuerung bestehen insbesondere darin, daß zwischen dem Hochfrequenzsender und dem Empfänger ein Streufeldkondensator vorgesehen ist. Durch das Zusammenwirken von Hochfrequenzsender, Streufeldkondensator, Empfänger und Kompensationsschaltung und insbesondere durch die neuerungsgemäße Ausbildung des Streufeldkondensators wird eine sehr große Reichweite des Annäherungsschalters erzielt. Durch die Ausführung des Streufeldkondensators und der Kompensationsspule ist außerdem eine preiswerte Massenherstellung möglich und nur ein geringer Justageaufwand erforderlich

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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 benützt wurde, führt bei dem neuerungsgemäßen 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 neuerungsgemäßen Streufeldkondensator erreicht, der zwischen Sender und Empfänger geschaltet ist.

Der neuerungsgemäße Annäherungsschalter kann beispielsweise zur Schaltung einer Lichtquelle, einer Überwachungseinrichtung, eines Händetrockners, von Magnetschaltern usw. verwendet werden.

Im folgenden soll die Neuerung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1
Figuren 2,3,4
Figur 5

Figur 6
Figur 7

ein Ausführungsbeispiel des Streufeldkondensators,

ein weiteres abstimmbares Ausführungsbeispiel des Streufeldkondensators.

ein Ausführungsbeispiel der Kompensationsspule,

eine abstimmbare Kompensationsspule und

ein Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen Annäherungsschalters mit einer Kompensationsschaltung.

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In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen * 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 ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 der Gleichrichterstufe 5 ein Gleichspannungsverstärker 7, ein Schmitt-Trigger 8 und ein Stellglied 9 nachgeschaltet.

Der Hochfrequenzsender 1 1st aus einem Transistor 10, Kondensatoren 11, 12» Widerständen 13 und 14, einer Senderspule 15 und der einen Platte 16 eines Streufeldkondensator& aufgebaut. Die andere Platte

17 dieses Streufeldkondensators ist Bestandteil des Empfängers 2. Dieser Empfänger besteht außerdem noch aus dem Feldeffekttransistor

18 and Widerständen 19, 20 und 21.

Das dem Empfänger 2 nachgeordnete Hochpassglied 3 besteht aus einem Kondensator 22, einem Widerstand 23 und dem Basis-Emitter-Widerstand eines Transistors 24. Der dem Hochpasqä-ied 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 aich ein Stellglied 9 an, das nicht näher dargestellt ist.

Die Funktionswelse des neuerungsgemäßen AusfUhrungsbeispieles eines kapazitiven Annäherungsschalters nach Fig. 7 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 ietj d.h. der Ein-

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fluß des Abziehens nach unten oder oben von der vorgesehenen ^ Senderfrequenz ist zu vernachlässigen, da das Funktionleren des Annäherungsschalters dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Die von dem Hochfrequenzsender 1 mittels der Platte 16 abgegebenen Schwingungen werden von dem Empfänger 2 mittels der Platte 17 des Steufeldkondensators aufgenommen. Der Empfänger 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 Streufeldkondensators 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 gegenseitge 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 eie mit dem Abstand der Konden&atorbeläge eines üblichen Kondensators vergleicht. Während bei einem normalen Kondensator möglichst große Kondensatorbelagsflächen einander in möglichst geringem Abstand gegenüber stehen, haben die Platten des neuerungsgemäßen 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 Streufeldkondansators 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 Auaführungsbeispiel nach den Figuren 1, 2, 3 und A in einer Ebene angeordnet. Jedoch 1st 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 gegenüber , liegen, weil die Belagsflächen entsprechend gegeneinander eeitenverachoben angebracht sind, so daß sich die beiden Plattenbeläge nicht parallel gegenüber stehen. 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 cm . Sowohl die Auswahl der Größe der Plattenflächen des Streufeldkondenaators wie auch ihr gegenseitiger Abstand zueinander wird so getroffen, daß die Größe der Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich der Größe seiner Streukapazität 1st.

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 heraus-' zuätzen. Selbstverständlich können auch andere geeignete Metall beläge die beiden Platten 16 und 17 des Kondensators bilden. Die Plattenbeläge müssen sich lediglich auf einem isolierenden Träger befinden. Ein Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen Streufeldkondensators ist in Fig. 1 dargestellt. Die beiden Beläge 16 und 17 des Streufeldkondensators sitzen auf einem isolierenden Träger 41, so daß sie elektrisch voneinander getrennt aind. Bei Verwendung von kaschiertem Leiterplattenmaterial muß

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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 Fig. 1 dargestellt, oder auf zwei getrennten Trägern befinden, wie in Fig, 2 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 getrennton Trägern besteht die Möglichkeit mindestens einen Träger der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators gegenüber der anderen Platte verdrehbar anzuordnen, wie aus Flg. 2 srsichtlich ist. Zu diesem Zweck wird der Träger 42 mit dem Plattenbelag beispielsweise mittels einer Abstandsrolle 44 und einer geeigneten Schraube 45 auf einer Grundplatte 46 befestigt. Selbstverständlich kann auch der zweite Plattenbelag 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 Figuren 2, 3 und 4 nicht dargestellt. Für die: Grundplatte 46 wird man Je nach Verwendungszweck eine rechteckige, eine kreisförmige oder eine andere geeignete Form wählen.

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Zwischen dem Hochfrequenzsender 1 und dem Empfänger 2 bzw. dem nachgeachalteten Verstärker 4 1st außerdem eine Kompensationsschaltung vorgesehen. Mit Hilfe dieser Kompensationsschaltung wird ein Teil der Senderspannung dem Empfanger 2 bzw. dem nachgeschalteten Verstärker h zugeführt. Sehr wesentlich fUr die Arbeitsweise des neuerungsgemäßen Annäherungaschalters 1st 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 daa Feld des Streufeldkondensators zwischen seinen beiden Platten 16 und 17 ungestört 1st. Dieses Feld erstreckt sich dabei senkrecht zu den beiden Kondensatorplatten 16 und 17, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Reichweite dieses Feldes kann bei entsprechender Gestaltung dea Streufeldkondensators sowie einer entsprechenden Spannung an den beiden Platten des Kondensators bis zu einigen zig-Zentimotern betragen.

Bringt man nun einen Körper in das Feld zwischen den beiden Kondensatorplatten 16 und 17 ein, so wird die Feldlinienverteij.urig 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 einea sich annähernden Körpers.

Die Wirkung der vorgesehenen Kompensationsschaltung besteht darin , daß bei ungestörtem Feldlinienverlauf des Streufeldkondensators die Spannung an der Gleichrichterstufe 5 gleich Null 1st, da die kapazitive Spannungskomponente des Streufeldkondensators

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durch die induktive Spannungskomponente der Kompensationsspule aufgehoben wird. Es muß also nur die Änderung des Signals durch die Auewerteschaltung weiterverarbeitet werden, wenn das Feld des Streufeldkondensators durch einen sich nähernden Körper geachwächt 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.

Die der Senderspule 15 zugeordnete Kompensationsspute 47 kann beispielsweise als gedruckte Spule auf einer kaschierten Leiterplatte 52 ausgeführt sein, wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist. Die Ausätzung der Kompensationsspule auf einer kaschierten Leiterplatte ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Kompensationsspule im Zuge der Erstellung der j Leiterplatine für die Auswerteschaltung. Die Justage der induktiven Spannungskomponente kann durch einen im Zentrum der Kompen- j eationsspule eindrehbaren Ferritkern 51 erfolgen, auf dessen I anderes Ende beispielsweise die Senderspule 15 aufgewickelt ist. I Bei einer anderen Ausführungsform i\i Λ die Sender- und die j Kompensationsspule zusammen auf einen Spulenkörper gewickelt* \ Die Justage der induktiven Spannungskoraponente kann dadurch er- I folgen, daß die letzten Windungen der Kompensationsspule entgegengesetzt gewickelt sind. Das Wicklungsende wird dann zu Justagezwecken einfach abgezogen, bis die gewünschte induktive Spannungakomponente erreicht ißt.

Eine weitere Justagemöglichkeit ist durch den Streufeldkondensator gegeben. Wie aus den Figuren 2 bis 4 zu ersehen ist, kann mindestens einer der Träger 42 bzw. 43 der Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators verdreht werden. Durch diese Lageveränderung dar Platten des Streufeldkondensators ist eine Justage der

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kapazitiven Spannungskomponente durchführbar. Die Justage des kapazitiven Annäherungsschalters erfolgt für ein Dielektrikum des StreufelCkondensators, das überwiegend aus Luft besteht. Bei der Justage des Annäherungsschalters kann jedoch schon bei der Herstellung berücksichtigt werden, daß sich der Annäherungsechalter später beispielsweise in einem Gehäuse aus Kunststoff befindet. Diese Isolierstoffschicht 53 kann entweder direkt auf den Platten 16 und 17 des Streufeldkondensators aufgebracht eein oder eie befindet sich in einem gewissen Abstand vor den Platten des Streufeldkondensators. Dieser letztere Fall ist in Fig. 4 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 Streufeldkondensatora liegenden Isolierstoffschicht bereits bei dem Herstellungsprozeß berücksichtigt werden.

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Claims

Schutzansprüche:

1. Annäherungsschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Plattenflächen eines Streufeldkondensators derart gewählt ist, daß die Eigenkapazität des Streufeldkondensators etwa gleich seiner Streukapazität ist, daß die Platten (16, 17) des Streufeldkondensators einander in großem Abstand zugeordnet sind und daß die beiden Platten (16, 17) des Streufeldkondensators nicht einander gegenüber parallel zugeordnet sind.

2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (16, 17) des Streufeldkondensators in einer Ebene angeordnet sind.

3. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Platten (16, 17) des Streufeldkondensators auf einem isolierenden Träger (41) befinden.

4. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Platten (16, 17) des Streufeldkondensators auf zwei getrennten Trägern (42, 43) befinden.

5. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Träger (42, 43) der Platten (16, 17) des Streufeldkondensators verdrehbar angeordnet ist.

6. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (16, 17) des Streufeldkondensators aus kaschiertem Leiterplattenmaterial hergestellt'sind.

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7» Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des Streu-* feldkondensators überwiegend aus Luft besteht.

8. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor den Platten (16, 17) des Streufeldkondensators eine Isolierstoffschicht (55) befindet.

9. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) als gedruckte Spule auf einer Leiterplatte ausgeführt ist.

10» Annährungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) mittels eines Ferritkernes (51) abstimmbar ist.

11. Annäherungsschalter nach eAnein oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (47) so ausgeführt ist, daß die letzten Windungen entgegengesetzt gewickelt sind.