DE2363069A1 - Elektronisches, beruehrungslos wirkendes schaltgeraet - Google Patents

Description

Elektronisches,"berührungslos wirkendes Schaltgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches,berührungslos wirkendes Schaltgerät,das über insgesamt zwei Anschlußleitungen einerseits an eine Spannungsq.uelle und andererseits an einen Verbraucher anschließbar ist,mit einem Oszillator, in dessen Rückkopplungskreis ein Kondensator zur direkten Beeinflussung der Rückkopplung geschaltet ist,einem vom Oszillator betätigbaren elektronischen Schalter und einer Speiseschaltung für den Oszillator.
Mit Oszillatoren lassen sich berührungslos wirkende,kontaktlose Schaltgeräte aufbauen.Sie erzeugen im unbedämpiten Zustand in einem Schwingkreis regelmäßige Schwingungszüge aus einer Gleichspannung mit Hilfe von Verstärker-Bauelementen, d.h.vorzugsweise Transistoren.In der Regel arbeiten diese Oszillatoren mit einer Frequenz ^ 10 kHz.Da die Oszillatoren im Prinzip rückgekoppelte Verstärker sind,beruht ihre Wirkung auf einer Mitkopplung über frequenzabhängige Bauelemente wie Induktivitäten und Kapazitäten,wobei am Ausgang des Verstärkers eine i'eilspannung phasenrichtig auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführt wird.Damit sich eine Schwin_oung

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aufbauen kann,muß die durch Mitkopplung zurückgeführte Spannung gleich einer Spannung am Eingang des Verstärkers sein. Das bekannte Schwingkreiskriterium für einen rückgekoppelten Verstärker mit der Verstärkung V lautet

k . V - 1

(K= Rückkopplungsfaktor = 4 ) Wird das Produkt k . V < 1, setzt die Schwingung aus. Durch diesen verhältnismäßig plötzlichen Spannungsabfall am Ausgang des Oszillators kann mit einer entsprechenden Nachbeschaltung ein Schaltsignal erzeugt werden,das einen elektronischen Schalter betätigt.

Das Aussetzen der Oszillatorschwingung kann auf verschiedene Weise erreicht werden.Bekannt ist,die Güte des Schwingkreises durch Veränderung des elktrischen Feldes bei Annäherung eines Gegenstandes zu verändern( verschlechtern ).

Bei einem bekannten Schaltgerät der eingangs näher gekennzeichneten Art ist der Rückkopplungskreis als offene Kondensatorelektrode ausgebildet und über die Rückkopplungsinduktivität an den Eingang ( Basis ) des Verstärker-Transistors angeschlossen. ( DAS 203 6840 ) Als fehlende Gegenelektrode dient der Annäherungsgegenstand selbst und schließt den Rückkopplungskreis des Verstärkers.Soll die Anwesenheit des Annäherungsgegenstandes selbst angezeigt werden,kann auf eine zweite Kondensatorelektrode verzichtet werden,da der metallische Annäherungsgegenstand die fehlende Gegenelektrode ersetzt.

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Bei einem anderen bekannten Anwesenheits-Detektor ( DAS 1246137 ) ist der Rückkopplungskreis eines zweistufigen Verstärkers fest und enthält keine Tastelektrode,die in Verbindung mit dem Annäherungsgegenstand eine die Schwingung beeinflussenden Kondensator bildet.Es handelt sich dabei um eine einfache R-C-Rückkopplung,in der der Kondensator den Zweck hat,die beiden Transistoren gleichspannungsmäßig zu trennen.Der Kondensator wirkt somit als Blockkondensator.

Es ist ferner ein Näherungs-Detektor mit Kapazitäts-Brücke bekannt (US - Pat 32 30519 ).Die Brückenschaltung wird durch Einfügen des zu erkennenden Gegenstandes verstimmt.Die Brückenschaltung ist an einen selbstschwingenden Oszillator angeschlossen,um im Brückenmeßzweig die Verstimmung bestimmen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es,den Schwingkreis des Oszillators mit einem Kondensator im Mittkopplungskreis so anzukoppeln, daß durch dessen Beeinflussung der Oszillator aufhört zu schwingen und bereits kleinste Kapazitätsänderungen die Rückkopplung stark beeinflussen.Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß ein flächenhaft ausgebildeter Rückkopplungskondensator mit einer Elektrode an die Basis des Verstärker-Transistors und mit der zweiten Elektrode am Ausgang des Schwingkreises angeschlossen und von außen beeinflußbar ist.

Durch die Dl' - OS 1623109 ist ein Näherungs-Initiator bekannt, der aus einem Verstärker und im Gegenkopplungszweig des Verstärkers liegenden Doppel - T - R - C - Vierpol besteht,an dem

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eine l'astelektrode an einem Verzweigungspunkt des Doppel- T R-C- Vierpols angeschaltet ist und die 'xastelektrode zusammen mit einer weiteren Elektrode einen Meßkondensator bildet, der einem der Bauelemente des Doppel -ΐ-R-C- Vierpols parallel geschaltet ist.Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen über einen Schwingkreis rückgekoppelten Verstärker.Soll die Anordnung in den Empfindlichkeitsbereich der Erfindung kommen,muß die Schaltungsanordnung ebenfalls angeregt werden. In diesem Fall ist der Schaltungsaufwand ungleich höher als bei der Erfindung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung greifen die beiden Elektroden des Kondensators in einer Ebene mäanderbandförmig ineinander,so daß sich über die genze Fläche ein gleichmäßiges Feld ausbilden kann.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schaltgerätes ist folgende Nähert sich dem Fühler-Kondensator ein Gegenstand,so ändert sich je nach seiner Leitfähigkeit und dielektrischen Eigenschaft die Rückkopplung,und die Oszillatorschwingung setzt aus.Über einen Signalgeber wird in diesem Fall ein kurzer Impuls erzeugt,der in einer nachfolgenden Signal-Auswertung abgegriffen und in ein SchBltsignal umgewandelt wird.Dieses Schaltsignal dient als Setzsignal für einen bistabilen Multivibrator,der bei einmaligem Annähern an den Kondensator-Fühler einen elektronischen Schalter betätigt,der den Verbraucher einschaltet und bei nochmaligem Annähern wieder ausschaltet.

Anhand der einzigen Figur der Zeichnungen ist die Erfindung

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erläutert.Die Figur zeigt den Schaltplan eines kapazitiv wirkenden Schaltgerätes für Installationszwecke.Es gliedert sich in zwei Teile,einem Fühlerkreis I und einem Schaltkreis II. Der Fühlerkreis I besteht aus einem Oszillator 1 und einem Signalgeber 2.Der Oszillator 1 des erfindungsgemäßen Schaltgerätes arbeitet nach dem Hartley—Prinzip mit dem Transistor 3.Der Kollektor liegt über Widerstand 4 an Betriebsspannung IL, ( Gleichspannung ) und mit seinem Emitterwiderstand 5 ( Abgleichwiderstand ) an Punkt ·· A " ,einem Abgriff der Schwingkreisinduktivität 6.Der Arbeitspunkt des Transistors 3 wird mit dem Basiswiderstand 7 in Gegenkopplung mit Widerstand 4 bestimmt.Den frequenzbestimmenden 'Teil des Oszillators

I bilden die Schwingkreisinduktivität 6 und die Schwingkreiskapazität 8.Der Rückkopplungskreis des Oszillators wird über einen flächenhaft ausgebildeten Kondensator 9 geschlossen.

Er ist mit einer Elektrode 10 an .die Basis des Oszillator-Transistors 3 und mit der zweiten Elektrode 11 am Ausgang

^II B " des Schwingkreises angeschlossen.Die zwei Elektroden 10, 11 greifen etwa mäanderförmig ineinander,so daß sich zwischen den Elektroden die elektrischen Feldlinien gleichmäßig über die ganze Fläche verteilen.Durch Annäherung eines Gegenstandes an das elektrische Feld des Kondensators 9 wird seine Kapazität verringert und die Rückkopplung bis zum Aussetzen der Oszillatorschwingung verkleinert.

Der Signalgeber 2 ist als Impulsgeber aufgebaut.Er besteht zunächst aus einer Gleichrichterdiode 12 und einem nachfolgenden Ladekondensetor 13^Widerstand 14 bestimmt die Ausgangsschwelle am Eingang des Impulserzeugers 15·Α1β Impulserzeuger dient ein Transistor mit hochohmigem Eingang und negativer

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Kennlinie,ein programmierbarer Unijunction-Transistor 15, dessen Eingang ( Gate ) an der Ausgangsschwelle des Oszillators,gebildet durch den Widerstand I4 liegt.Die Anoden-Kathoden-Strecke des Transistors 15 liegt in Heine mit einem Kondensator 16 an Betriebsspannung IL, und außerdem mit der Anode an Punkt " C " eines ohmschen Spannungsteilers mit den Widerständen 17 und 18.Die Kathode liegt auf Minuspotential.Der Kondensator 19 dient zur Verhinderung des Durchschaltens bei Störeinflüssen in der Betriebsspannungsleitung.

Hähert man sich dem Kondensator 9 z.B.mit der Hand,so wird dadurch die Rückkopplung des Oszillators verringert.Proportional zum Annäherungszustand ändert sich auch die Schwingungsamplitude.Durch die nachfolgende Gleichrichtung und Siebung mit Diode 12 und Kondensator 13 verhält sich die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Oszillators analog zum Annäherungszustand.Der Ausgang des Oszillators wird an den Eingang des Transistors 15 gelegt.Im unbedämpften Zustand liegt die Schwelle an der Anode von Transistor 15 etwas niedriger als die Gleichspannung am Eingang des Transistors 15«Der Transistor ist gesperrt.Sobald eine Annäherung an den Kondensator 9 stattfindet, sinkt die Spannungsschwelle am Eingang des Transistors 15 unter den Wert der Anoden-Spannungsschwelle,so daß die Anoden-Kathoden-Strecke durchzündet.Dadurch kommt ein starker Ladungsstoß über den Kondensator 16 zustande,der als Impuls über die Betriebsspannungsleitung der Signalauswertung 20 zugeführt wird.Während des Bedämpfungszustandes wirkt der Impulsgeber als Impuls-Generator.Diese Impulse sind jedoch

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kleiner als die Answertungs-Schwelle der Signalauswertung 20, so daß ein neuer Schaltimpuls nicht erfolgt.

Der Schaltkreis II besteht zunächst aus der Signaleuswertungs-Schaltung 20,in der die der Betriebsspannung überlagerten Impulse abgegriffen werden.Die Signalauswertungs-Schaltung besteht aus einem im Betriebsstromkreis liegenden iaiederohmigen Widerstand 21.Er ist so dimensioniert,daß sein statischer Spannungsabfall durch den Oszillator-Betriebsstrom sehr viel kleiner ist als die Betriebsspannung.Im Falle des Durchschaltens des Transistors 15 steht für eine .gewisse Zeit eufgrund der Kurzschlußverhältnisse im Fühlerkreis I fast volle Betriebsspannung an Widerstand 21 an.Dieser hohe Spannungspegel,der als kurzer Impuls an Widerstand 21 ansteht, wird über eine Zenerdiode 22 als Schwelle abgegriffen und der Basis eines Schalttransistors 23 zügeführt.Dem Widerstand 21 ist die Zenerdiode 22,der Basisvorwiderstand 24 und die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 23 parallel geschaltet.Am Kollektor des Transistors 23 entsteht ein kurzer Schaltimpuls mit voller Betriebsspannung,der als Setzsignal für einen bistabilen Multivibrator 25 ( Flip-Flop ) dient.

Zum Schutz gegen Stöxeinflüsse sind die Kondensatoren 26,27 parallel zur Basis-Emitter-Strecke bzw.Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 23 geschaltet.

Der bistabile Multivibrator 25 bildet einen weiteren Baustein des Schaltkreises II.Er ist mit seiner Spannungsversorgung 28,29 an einer von der Netzspannung abgezweigten Hilfsspannung angeschlossen.Er ist so beschaltet,daß bei Annäherung an den

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Fühlerkreis I ( Kondensator 9 ) die Steuerimpulse am Setzeingang 30 ein Umkippen des Schaltzustandes des bistabilen Multivibrators bewirken.Dem bistabilen Multivibrator 25 ist parallel zu seiner Betriebsspannung ein Kondensator 31 und in Reihe zur Betriebsspannung eine Diode 32 geschaltet.Vorausgesetzt der Flip-Flop mit seiner Beschaltung ist hochohmig,und der Kondensator 3I hat eine entsprechend große Kapazität,dann läßt sich bei Netzausfall für eine gewisse Zeit die Betriebsspannung am Flip-Flop aufrechterhalten,so daß der gleiche Schaltzustand bei Wiederanliegen der Netzspannung gegeben ist wie vor dem Netzausfall.

Kondensator 31 und Diode bilden also eine Signalsicherung gegen kurzzeitigen Netzausfall.

Der zweite Setzeingang 35 des bistabilen Multivibrators 25 ist mit einem hochohmigen Spannungsteiler 34*35 beschältet, dessen einer Teil 34 ein temperaturabhängiger Widerstand ( PTC - Widerstand ) an Betriebsspannung und an Punkt ⁿ D ^w am zweiten Setzeingang 33 liegt.Solange der Widerstand 34 niederohmig ist,liegt am zweiten Setzeingang 33 ein hohes negatives Potential.Wird durch Erwärmung der Widerstand 34 hochohmig,sinkt das negative Potential ab und der Flip-Flop in die Stellung ".Schalter Aus ⁿ gebracht .Widerstand 34 und 35 bilden eine Sicherung gegen Übertemperatür.

Yon Punkt " D * und parallel zu Wideretand 35 liegt ein Kondenstor 36 auf Bezugspotential.Beim Anlegen dex Netzspannung an den Schaltkreis,wie z.B.nach längerem Netzauefall bzw. beim Einschalten dex Netzsicherung wixd durch die Aufladung

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über Widerstand 34 des Kondensators 36 der Flip-Flop 25 in die Vorzugslage " Schalter Aus " gebracht.Die Wirkung dieser Einschaltsperre erfolgt über den zweiten Setzeingang· 33«Der Einschaltzustand kann aber nur durch Annäherung an den Fühlerkreis ausgelöst werden.

Mit dem Ausgang 37 des bistabilen Multivibrators 39 wird über einen Vorwiderstand 38 ein Transistor mit hoehohmigem Eingang, ein Feldeffekttransistor 39 angesteuert,der zum Zündkreis des elektronischen Schaltelementes ( Triac ) 40 gehört.Der Zündkreis besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 41 und eines Kondensators 42,dem die Drain-Souree-Strecke des FE - Transistors 39 parallel geschaltet ist.Der Punkt ¹¹ E " ist über die Triggerdiode 43 an das Gate des Triac¹ s geschaltet.Vor dem Triac in Reihe zum Verbraucher 44 ( Glühlampe ) ist die Drossel 45 geschaltet,die im Zusammenhang mit dem Netzkondensator 46 eine Entstörmaßnahme bildet.

23O Die Speiseschaltung für den Fühlerkreis I,der Signalauswertungs-Schaltung und dem Signalspeicher 25 besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes 47»eines Kondensators 48 und einer Zenerdiode 49»die zwischen Bezugspotential und Netzspannung geschaltet ist.Parallel zur Zenerdiode 49 ist die Diode 50 in Reihe mit dem Kondensator 5I geschaltet.

Die Speisespannung wird direkt am Kondensator 51 abgegriffen. Bei Schalterstellung " Aus " steht an der Reihenschaltung über Widerstand 47»Kondensator 48 und Zenerdiode 49 die volle Netzspannung an.Bei Schalterstellung " Ein .·· steht der durch

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240 den Zündkreis bestimmte Phasenanschnittszipfel der Netzspannung

an der Reihenschaltung zur Verfügun

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Claims (2)

1. MERTEN KQ

   Patentansprüche:

   M)) Elektronisches,"berührungslos wirkendes Schaltgerät,das über insgesamt zwei Anschlußleitungen einerseits an eine Spannungsquelle und andererseits an einen Verbraucher anschließbar ist, mit einem Oszillator,in dessen Rückkopplungskreis ein Kondensator zur direkten Beeinflussung der Rückkopplung geschaltet ist,einem vom Oszillator betätigbaren elektronischen Schalter und einer Speiseschaltung für den Oszillator,dadurch gekennzeichnet, daß ein fläch'enhaft ausgebildeter Rückkopplungskondensator 9 mit einer Elektrode 10 an die Basis des Verstärker-'.Transistors und mit der zweiten Elektrode 11 am Ausgang des Schwingkreises " B " angeschlossen und von außen beeinflußbar ist.
2. 2) Elektronisches,berührungslos wirkendes Schaltgerät

   nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß beide Elektroden .. 10,11 in einer Ebene mäanderbandförmig ineinandergreifen.

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