ES2212851T3 - Conmutador capacitivo de proximidad para la evaluacion de pequeños cambios de capacidad y procedimiento para ello. - Google Patents
Conmutador capacitivo de proximidad para la evaluacion de pequeños cambios de capacidad y procedimiento para ello.Info
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Abstract
Conmutador capacitivo de proximidad para evaluar cambios de la capacidad del mismo, con un puente eléctrico de corriente alterna compuesto por cuatro derivaciones de puente que se extienden respectivamente entre dos de cuatro nodos de conmutación del puente, estando aplicada en dos nodos de conmutación opuestos, no adyacentes del puente una tensión alterna como tensión de alimentación de puente (ubr), y formando respectivamente las dos derivaciones de puente entre los dos nodos de conmutación de alimentación una de las dos mitades del puente, y pudiendo tomarse en los otros dos nodos de conmutación, a través de circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2), una tensión diagonal de puente (Ud) a evaluar para la detección de una superficie electroconductiva (15) que se aproxime o se aleje, especialmente una superficie metálica (15), que forma parte de un condensador (C1) variable en una de las derivaciones de puente del circuito en puente, encontrándose en las demás derivaciones del puente como reactancias adicionales al menos un condensador (C1, C2, C3, C4) o al menos un condensador (C1, C2, C3, C4) y/o al menos una resistencia (R9, R10), en donde para rectificar las dos tensiones de derivación de puente (uc1, uc3) están dispuestos, por separado según la mitad de puente correspondiente, rectificadores (N1, N2, N3, N4, S1, S2, S3, S) en los circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2), y la tensión diagonal de puente (Ud) se evalúa sólo después de la rectificación de las dos tensiones de derivación de puente (uc1, uc3) como tensión continua que cambia conforme al cambio de la capacidad del condensador (C1) variable, caracterizado porque a) el conmutador de proximidad se compone de una placa multicapa (10) plana compuesta por al menos dos capas de aislamiento eléctrico (13, 14), entre las que se encuentra una capa intermedia (11) electroconductiva como primera superficie de un condensador en una de las dos derivaciones de puente de una de las mitades de puente b)en una de las capas (13, 14), en el lado opuesto a la capa intermedia (11), está aplicada otra capa electroconductiva plana como sonda (12), que forma la segunda superficie de dicho condensador, c) la superficie electroconductiva (15) es móvil en relación con dicha sonda (12) formando junto con la misma el condensador (C1) plano, variable del circuito en puente.
Description
Conmutador capacitivo de proximidad para la
evaluación de pequeños cambios de capacidad y procedimiento para
ello.
La invención se refiere a un conmutador
capacitivo de proximidad para evaluar cambios de la capacidad del
mismo, con un puente eléctrico de corriente alterna compuesto por
cuatro derivaciones de puente que se extienden respectivamente entre
dos de cuatro nodos de conmutación del puente, estando aplicada en
dos nodos de conmutación opuestos, no adyacentes del puente una
tensión alterna como tensión de alimentación del puente, y formando
respectivamente las dos derivaciones de puente entre los dos nodos
de conmutación de alimentación una de las dos mitades del puente, y
pudiendo tomarse en los otros dos nodos de conmutación, a través de
circuitos derivados de tensión diagonal, una tensión diagonal de
puente a evaluar para la detección de una superficie
electroconductiva que se aproxime o se aleje, especialmente una
superficie metálica, que forma parte de un condensador variable en
una de las derivaciones de puente del circuito en puente,
encontrándose en las demás derivaciones del puente como reactancias
adicionales al menos un condensador (puente capacitivo) o al menos
un condensador y/o al menos una resistencia (puente
capacitivo-óhmica), en donde para rectificar las dos tensiones de
derivación de puente están dispuestos, por separado según la mitad
de puente correspondiente, rectificadores en los circuitos derivados
de tensión diagonal, y la tensión diagonal de puente se evalúa sólo
después de la rectificación de las dos tensiones de derivación de
puente como tensión continua que cambia conforme al cambio de la
capacidad del condensador variable, según el preámbulo de la
reivindicación 1, así como a un procedimiento según el preámbulo de
la reivindicación 9.
La evaluación de cambios de capacidad entre
pequeños y muy pequeños, es una tarea recurrente en la técnica de
sensores. Especialmente en el caso de conmutadores capacitivos de
proximidad han de evaluarse de manera fiable unos cambios de
capacidad mínimos, es decir del rango < 10 fF, adquiriendo una
importancia especial sobre todo la resistencia a las interferencias
y la estabilidad térmica del circuito en cuestión.
Para la evaluación de pequeños cambios de
capacidad es conocido usar un oscilador, cuya amplitud de oscilación
cambie en función de la capacidad del sensor. Por lo tanto, la
magnitud de la amplitud de oscilación es una medida del valor de la
capacidad del sensor. Un circuito de este tipo tiene el
inconveniente de no ser en principio estable a las temperaturas, por
lo que en un circuito de este tipo normalmente se requiere una
compensación térmica que puede ser difícil de dimensionar. Además,
la calidad del oscilador es baja, por lo que resulta un circuito de
banda ancha con un mal comportamiento CEM (compatibilidad
electromagnética). Además, para la evaluación de pequeños cambios de
capacidad es conocido emplear un oscilador, cuya frecuencia cambie
en función de la capacidad del sensor. Esto también conlleva el
inconveniente de que un circuito de este tipo en principio no es
estable a las temperaturas, por lo que también en este caso se
requiere una compensación térmica que puede ser difícil de
dimensionar; también un circuito de este tipo presenta un
comportamiento CEM relativamente malo.
Además, para la evaluación de pequeños cambios de
capacidad se conoce la llamada técnica "switched condensador",
en la que resulta desfavorable una temporización crítica de las
señales de reloj, por lo que se requiere una sincronización
extremadamente estable lo que, según el procedimiento, requiere una
sofisticada técnica de conmutación.
Asimismo, para la evaluación de pequeños cambios
de capacidad se conocen también los circuitos integrados. Estos
tienen el inconveniente de que normalmente hace falta una capacidad
aislada de tierra. Además, los circuitos de este tipo necesitan
generalmente una unidad de evaluación digital (normalmente un
contador) lo que supone un gran aparato técnico de conmutación. Por
consiguiente, este tipo de conceptos se aplican principalmente en la
técnica de microsistemas.
Asimismo, se sabe que la evaluación de pequeños
cambios de una magnitud eléctrica puede realizarse de manera
ventajosa con circuitos en puente. En este caso, la magnitud a medir
se compara con referencias que son generados por elementos
idénticos. De esta forma, las influencias térmicas pueden suprimirse
eficazmente, siempre que las dos derivaciones del puente tengan en
todo momento la misma temperatura. Las modificaciones de la magnitud
en cuestión se presentan entonces como cambios de la tensión
diagonal del puente. El uso de reactancias como elementos de puente
condiciona que el puente debe funcionar con tensión alterna. Por
tanto, también la tensión diagonal de puente constituye una tensión
alterna. Según el estado de la técnica, la evaluación de la tensión
diagonal de puente frecuentemente constituye un problema, porque
- debido al reducido cambio de capacidad, la
amplitud de la tensión alterna es muy pequeña, es decir de algunos
mV;
- la frecuencia de la tensión alterna con la que
funciona el puente, y por tanto también la frecuencia de la tensión
diagonal de puente se sitúa en el rango de MHz para que con los
pequeños valores de capacidad existentes las corrientes de las
derivaciones no adopten valores demasiado bajos;
- en muchos casos, la tensión diagonal de puente
contiene, además del componente de tensión alterna, también un
componente de modo común con una amplitud sensiblemente mayor que el
componente alterno.
Este tipo de soluciones conocidas se describen,
por ejemplo, en los documentos
DE-C2-3143114,
DE-A1-3911009,
DE-A1-19536198,
DE-A1-19701899,
CH-558534 y
EP-A1-0723166.
Una disposición de circuito para eliminar la
influencia de un desplazamiento de fases entre los potenciales de
tensión de los dos puntos de medición de un puente de medición de
corriente alterna con resistencias complejas, en donde la diferencia
de los potenciales de tensión forma la señal de medición. Entre los
puntos de medición y las inclusiones de entrada de un circuito para
formar la diferencia en cada circuito derivado está dispuesta una
válvula de rectificación, estando postconectado a cada una de las
mismas un acumulador situado entre su salida y un potencial de
referencia común con el puente de medición de corriente alterna.
Los condensadores como receptores capacitivos de
valores de medición dentro de un puente de medición de corriente
alterna, o bien en un circuito en puente con cuatro capacidades o
con dos capacidades y dos resistencias, siendo respectivamente una
capacidad variable, se conocen por la fuente de literatura Heinz
Schneider, "Kondensatoren als Messwertaufnehmer,
Elektronik-Applikation, Nr. 14, 9 de julio de
1985".
Por el documento
FR-A-2371676 se conoce un conmutador
de proximidad con un puente de corriente alterna que se carga con
una tensión alterna. Las tensiones de las derivaciones del puente se
rectifican y se someten individualmente a manipulaciones eléctricas.
Sólo después de la rectificación de las tensiones de las
derivaciones del puente, éstas se evalúan como magnitud capacitiva
como tensión continua que cambia.
La invención tiene el objetivo de proporcionar un
conmutador capacitivo de proximidad, así como un procedimiento para
ello, que en uno de sus lados sea altamente sensible contra la
aproximación de un objeto electroconductivo, permitiendo de esta
manera una evaluación fiable de cambios mínimos de capacidad, en
donde el circuito debe presentar una alta resistencia a las
interferencias y en principio una alta estabilidad térmica. Además,
el conmutador de proximidad debe poder realizarse con un gasto
relativamente bajo y, por tanto, de forma económica.
El conmutador de proximidad según la invención se
compone de una placa multicapa plana compuesta por al menos dos
capas de aislamiento eléctrico, entre las que se encuentra una capa
intermedia electroconductiva como primera superficie de un
condensador en una de las dos derivaciones de puente de una de las
mitades de puente, estando aplicada en una de las capas, en el lado
opuesto a la capa intermedia, una capa electroconductiva plana como
sonda, que forma la segunda superficie de dicho condensador, en
donde la superficie electroconductiva es móvil en relación con dicha
sonda formando junto con la misma el condensador plano, variable del
circuito en puente.
El conmutador de proximidad y el procedimiento
presentan la ventaja de que es posible una evaluación fiable de
cambios de capacidad mínimos, y de que el circuito presenta una alta
resistencia a las interferencias y una alta estabilidad térmica y de
que es en gran medida insensible a las interferencias acopladas.
Además, el conmutador de proximidad puede realizarse con un gasto
relativamente bajo. Las ventajas consisten especialmente en que:
- No es necesario evaluar ninguna tensión
alterna, sino sólo una tensión continua.
- Para evaluar la tensión diagonal de puente
puede usarse un amplificador operacional o comparador lento.
- La rectificación de las tensiones de
derivaciones de puente puede realizarse por ejemplo con diodos,
resultando un circuito muy sencillo con pocos elementos
constructivos; de manera ventajosa, es posible usar los llamados
diodos lentos para suprimir la resistencia a las interferencias.
Según la invención, la rectificación se realiza de forma sincrónica
con conmutadores controlados, si se requiere una supresión de
interferencias especialmente alta.
Es importante que los rectificadores de las dos
derivaciones presenten el mismo comportamiento térmico para que la
tensión diagonal rectificada del puente sea independiente de la
temperatura. Para una buena supresión de las interferencias resulta
ventajoso que el establecimiento del circuito se realice de forma
simétrica, ya que una interferencia que actúe de la misma manera
sobre ambas derivaciones de puente no causa ninguna tensión
diferencial en las salidas de rectificador.
La rectificación de las tensiones de derivaciones
de puente puede realizarse, o bien, mediante diodos, preferentemente
cuatro, o según la invención mediante conmutadores controlados,
preferentemente cuatro, en donde al usar conmutadores, estos son
excitados por pares en oposición de fases y se conmutan de forma
sincrónica con la tensión de alimentación del puente de un estado de
conmutación al otro.
Adicionalmente, las interferencias acopladas
pueden suprimirse eficazmente conectando delante de los
rectificadores de las tensiones de derivaciones de puente
respectivamente un filtro pasabajos, filtro PB. Hay que tener en
cuenta que la capacidad del filtro PB puede quedar formada también
por capacidades parasitarias de los rectificadores, por ejemplo
capacidad de capa de detención o capacidad de difusión de las
transiciones PN de diodos de rectificación de la capacidad de
entrada de conmutadores electrónicos, de modo que se pueden suprimir
también los condensadores. El comportamiento CEM se puede mejorar
también empleando diodos de rectificación relativamente lentos. En
este caso, eventualmente se puede renunciar a un filtro PB
adicional.
Según la invención, en lugar de cuatro diodos se
usan cuatro conmutadores con excitación por pares en oposición de
fases para la rectificación de las tensiones de derivaciones de
puente. De esta forma, es posible rectificar también tensiones
alternas, cuya amplitud sea menor que la tensión umbral de un diodo
rectificador. Además, las tensiones perturbadoras se suprimen mejor,
porque sólo se rectifican totalmente aquellas tensiones alternas que
estén sincronizadas con la señal de conmutación de los conmutadores.
Para reducir la probabilidad de que una señal parásita tenga la
misma frecuencia que la señal de conmutación de los conmutadores es
recomendable modificar constantemente la frecuencia de la tensión de
alimentación del puente y, por tanto, también la de la señal de
conmutación.
En lugar de cuatro conmutadores controlados
individualmente con excitación por pares en oposición de fases
pueden emplearse también dos conmutadores.
La superficie metálica que se aproxima o se
aleja, que forma parte de un condensador del conmutador capacitivo
de proximidad, también puede estar puesta a tierra.
Según el procedimiento, las dos tensiones de
derivación de puente son rectificadas por separado, según la mitad
correspondiente del puente, por cuatro conmutadores controlados como
rectificadores en los circuitos derivados de tensión diagonal, que
son cerrados y abiertos y excitados en oposición de fases de forma
sincrónica con la tensión de alimentación del puente, por pares,
mediante tensiones de control, y conmutados de forma sincrónica con
la tensión de alimentación de puente de un estado de conmutación al
otro, siendo modificada constantemente la frecuencia de la tensión
de alimentación del puente y, por tanto, también la de la señal de
conmutación de los conmutadores.
Para evaluar pequeños cambios de una capacidad
usando un conmutador capacitivo de proximidad, por tanto, las dos
tensiones de derivaciones de puente son rectificadas, por separado,
según la mitad correspondiente del puente, por cuatro conmutadores
controlados como rectificadores en los circuitos derivados de
tensión diagonal, evaluándose la tensión diagonal del puente sólo
después de la rectificación de las dos tensiones de derivación de
puente como tensión continua que cambia según el cambio de la
capacidad, y siendo excitados los conmutadores por pares de forma
sincrónica con la tensión de alimentación del puente y conmutados de
forma sincrónica con la tensión de alimentación del puente de un
estado de conmutación al otro. La frecuencia de la tensión de
alimentación del puente y, por tanto, también la de la señal de
conmutación puede cambiarse constantemente.
Un ajuste del circuito o del conmutador de
aproximación se realiza convenientemente mediante la modificación de
la capacidad de uno de los condensadores en una de las derivaciones
de puente. Esto puede realizarse, por ejemplo, con la ayuda de un
llamado condensador giratorio o de un condensador calibrable por
láser. Resulta ventajoso realizar el ajuste de tal forma que en el
punto de conmutación del conmutador de proximidad la tensión
diferencial sea igual a cero, ya que en este caso basta con evaluar
tan sólo el signo de la tensión diferencial. Si se evalúa el signo
de la tensión diferencial Id, resulta una señal de salida con dos
estados diferentes, en donde el punto de conmutación en el que el
signo de la tensión diferencial Ud cambia de un estado al otro
depende sólo del valor de capacidad del condensador variable, pero
no de la amplitud o de la frecuencia de la tensión de alimentación
de puente ubr o de la magnitud de la tensión de flujo Uf de los
diodos de rectificación.
Si se debe renunciar al ajuste con la ayuda de un
condensador variable, el punto cero de la tensión diferencial puede
ajustarse también de tal forma que dos de los elementos
rectificadores se conecten con una de sus conexiones no al potencial
de referencia, por ejemplo masa, sino respectivamente a una fuente
de tensión de referencia, cuyo valor se ajusta de tal forma que en
la salida se ajuste la tensión diferencial Ud deseada, generalmente
cero. Si las dos tensiones de referencia se deducen de la tensión de
alimentación de puente ubr de tal forma que entre la tensión de
referencia correspondiente y la tensión de alimentación de puente
ubr exista una relación lineal, un cambio de la tensión de
alimentación de puente ubr no repercute en la tensión diagonal de
puente Ud y, por tanto, tampoco en el ajuste.
Muestran:
la figura 1 un esquema de conexiones de un
circuito en puente capacitivo con evaluación
la figura 2 el esquema de conexiones de la figura
1 completado con respectivamente un filtro pasabajos delante de los
rectificadores
la figura 3 un esquema de conexiones en el que
los diodos de rectificación están sustituidos por conmutadores
las figuras 4 a, b, c la sustitución de dos
diodos de rectificación que pertenecen uno a otro, por dos
interruptores rectificadores que pertenecen uno al otro, o la
sustitución de dos interruptores que pertenecen uno al otro por un
conmutador respectivamente
la figura 5 un esquema de conexiones para ajustar
el punto cero de la tensión diagonal de puente mediante dos fuentes
de tensión de referencia
la figura 6 el uso de diodos con la tensión
umbral Uf como elementos rectificadores en la figura 5
la figura 7 una posibilidad de generar la tensión
de referencia mediante la rectificación de la tensión de
alimentación del puente y de dos divisores de tensión
la figura 8 el circuito de la figura 7 ampliado
con N5, N6, R8, C10 y Uv para probar que la tensión Ugl rectificada
es independiente de la tensión de flujo Uf de los diodos de
rectificación
la figura 9 otro esquema de conexiones de un
circuito en puente con una capacidad respectivamente en una mitad
del puente y con una resistencia óhmica respectivamente en la otra
mitad del puente y
la figura 10 una estructura básica de un
conmutador capacitivo de proximidad con la formación de las
capacidades de una derivación de puente por diversas capas de una
placa multicapa en combinación con su entorno.
En las figuras, los mismos elementos están
provistos de las mismas referencias. Para mayor claridad se usan los
siguientes términos: "mitad de puente" significa - en los
dibujos - el lado izquierdo o derecho o la mitad del puente, por
"derivación de puente" está designada la pieza de conmutación
entre dos nodos de conmutación, de forma que un puente posee dos
"mitades" y cuatro "derivaciones" o "derivaciones de
puente".
La figura 1 representa un esquema de conexiones
de un circuito eléctrico capacitivo en puente, tal como se puede
usar para construir un conmutador capacitivo de proximidad,
compuesto por un puente con una capacidad C1, C2, C3 y C4 en cada
derivación de puente; la capacidad C1 es variable. El puente es
alimentado por la tensión de alimentación de puente ubr que es una
tensión alterna; el potencial de referencia es la masa GND.
Las dos tensiones de derivación de puente uc1 y
uc3 de las dos mitades de puente se rectifica, por separado según la
derivación de puente correspondiente, mediante diodos N2, N1 o N4,
N3 en los circuitos derivados de tensión diagonal DSp1 y DSp2, y se
aplanan contra masa mediante condensadores C5, C6 y resistencias R1
y R2, después de lo cual la tensión diagonal de puente Ud se evalúa
como tensión continua que cambia según el cambio de la capacidad C1.
Por tanto, la tensión diagonal de puente de los circuitos derivados
de tensión diagonal DSp1 y DSp2 se obtiene sólo después de la
rectificación de las dos tensiones de derivación de puente uc1 y
uc3, como tensión diferencial Ud, es decir según la figura 1 como
tensión rectificada Ud a partir de U_{dif+} - U_{dif-}.
La figura 2 muestra el esquema de conexiones de
la figura 1 completado con un filtro pasabajos respectivamente en
cada derivación de puente delante de los rectificadores N2, N1, N4,
N3 para suprimir interferencias acopladas, compuesto por las
resistencias R3 y R4, dispuestas en los circuitos derivados de
tensión diagonal DSp1 y DSp2, para desacoplar las dos tensiones de
derivación de puente uc1 y uc3 y los condensadores C7, C8. Las
capacidades C7 y C8 de los filtros pasabajos R3-C8 y
R4-C7 pueden formarse también mediante las
capacidades parasitarias de los elementos de los rectificadores N1,
N2, N3, N4.
La figura 3 representa un esquema de conexiones
de un circuito según la invención, en el que los diodos de
rectificación se han sustituido por conmutadores electrónicos S2, S1
o S4, S3. Los dos conmutadores S2, S4 en las líneas de
desacoplamiento correspondientes de las derivaciones de puente son
excitados y tanto cerrados como abiertos por la tensión de control
Ust2, y los dos conmutadores S1, S3 por la tensión de control Ust1.
Los conmutadores son excitados por pares en oposición de fases.
También al usar conmutadores y pasabajos, las capacidades de los
filtros pasabajos correspondientes pueden formarse por las
capacidades parasitarias de los elementos de los conmutadores S1,
S2; S3, S4.
La figura 5 muestra un esquema de conexiones para
un ejemplo de ajuste del punto cero de la tensión diagonal de puente
Ud mediante dos fuentes de tensión de referencia Uref1 y Uref2. Para
ajustar el punto cero de la tensión diagonal de puente Ud, dos de
los elementos rectificadores - diodo o conmutador - están conectados
con una de sus conexiones no a masa, sino respectivamente a una
fuente de referencia Uref1, Uref2, cuyo potencial de referencia es
la masa GND. Los valores de la fuente de tensión de referencia
Uref1, Uref2 se ajustan de tal forma que en la salida se ajuste la
tensión diagonal de puente Ud deseada.
La figura 6 representa el uso de diodos como
elementos rectificadores en la figura 5, presentando los diodos la
tensión umbral Uf. Entonces, resultan las siguientes relaciones:
Ud = U1 -
U2
Los divisores de tensión capacitivos de las dos
derivaciones de puente debilitan la señal ubr en el factor k o k'.
Si los cátodos de dos diodos de rectificación están conectados al
potencial de referencia, masa, es decir, si Uref 1 = Uref 2 = 0,
después de la rectificación se obtienen las tensiones
U1 = k ubr – 2Uf
o U2 = k'uBr - 2
Uf
\newpage
ubr es el valor cresta-cresta de
la tensión de alimentación del puente. En cambio, si los diodos se
conectan en el lado del cátodo, respectivamente a una tensión de
referencia distinta a cero, se obtiene
U1 = k ubr - 2Uf + Uref1
o U2 = k' ubr - 2Uf +
Uref2
Entonces, se obtiene para la tensión diferencial
Ud:
Ud = U1 - U2 = k ubr - 2Uf +
Uref1 - k' ubr + 2Uf – Uref2 = ubr (k - k') + Uref1 -
Uref2
De ello resulta que para k' = k y Uref2 = Uref1,
la tensión Ud se convierte en cero, independientemente de la
magnitud de la tensión de alimentación de puente ubr. Sin embargo,
si difiere el importe de k y k', resulta una tensión diferencial Ud
distinta a cero. Mediante la elección adecuada de Uref1 o Uref2, la
tensión diferencial Ud puede convertirse en cero. El inconveniente,
sin embargo, consiste en que el ajuste a cero depende de la tensión
de alimentación del puente ubr. Por lo tanto, en este caso sería
necesario mantener estable la amplitud de la tensión ubr.
Especialmente con vista a las variaciones de temperatura, esto es
posible generalmente sólo con un gasto considerable.
Por tanto, para realizar el ajuste a cero antes
descrito independientemente de la tensión de alimentación del puente
ubr, las figuras 7 y 8 muestran algunas variantes de circuitos para
generar la tensión de referencia mediante la rectificación de la
tensión de alimentación del puente y mediante dos divisores de
tensión. Para ello, las dos tensiones de referencia Uref1 y Uref2 se
deducen de la tensión de alimentación de puente ubr en el punto de
conmutación A, figuras 6 y 7, de tal forma que entre la amplitud de
la tensión de alimentación del puente y la tensión de referencia
correspondiente exista una relación lineal. Entonces, para las dos
tensiones de referencia es aplicable:
Uref1 = p ubr o
Uref2 = p'
ubr
Para la tensión diferencial Ud resulta
entonces:
Ud = ubr (k' - k) + p' ubr -
p ubr = ubr (k' - k + p' -
p)
Si p' y p se eligen de tal forma que resulte:
k' - k = p -
p'
la tensión diferencial Ud se convierte en cero
independientemente de la amplitud de la tensión de alimentación del
puente ubr. Una posibilidad sencilla para generar la tensión de
referencia según la relación antes mencionada, consiste en
rectificar la tensión de alimentación del puente ubr y ajustarla al
valor deseado con la ayuda de un divisor de tensión, lo que está
representado en la figura
7.
La figura 8 muestra un circuito en el que la
tensión rectificada Ugl es independiente también de la tensión de
flujo Uf de los diodos de rectificación. Debido a la dependencia
térmica de la tensión de flujo Uf de los diodos de rectificación, la
tensión de alimentación de puente rectificada también depende de la
temperatura.
Para la tensión rectificada Ugl es válido: Ugl =
ubr - 2Uf
Si el cátodo del diodo de rectificación no se
conecta al potencial de referencia, o sea a masa, sino a un
potencial de la magnitud 2Uf, la ecuación se simplifica resultando =
Ugl = ubr.
La tensión rectificada es, por tanto,
independiente de Uf.
En principio, el circuito según la invención
puede realizarse también con un puente compuesto por dos capacidades
y dos resistencias en una derivación de puente, lo que está
representado en principio en la figura 9. En ésta está representado
un circuito capacitivo en puente con respectivamente una capacidad
C1 y C2 y con respectivamente una resistencia óhmica R9, R10 en cada
derivación de puente. En la mitad de puente realizada con las
resistencias R9, R10, la tensión de derivación de puente
correspondiente ha de desacoplarse a través de un condensador C11,
por lo demás el puente corresponde a la figura 1 descrita
anteriormente.
La disposición del circuito descrito resulta
apropiada de manera especial para realizar el conmutador capacitivo
de proximidad para la detección de una superficie 15
electroconductiva que se aproxime o se aleje, por ejemplo una
superficie metálica. La figura 10 muestra una estructura fundamental
de un conmutador capacitivo de proximidad de este tipo, que
representa una mitad del puente, con la formación de capacidades de
una derivación del puente mediante diferentes capas de una placa
multicapa 10 plana en combinación con su entorno.
La placa multicapa 10 se compone de al menos dos
capas 13, 14 de aislamiento eléctrico, entre las que se encuentra
una capa intermedia 11 electroconductiva, por ejemplo una capa
intermedia metálica, como primera superficie de un condensador. En
una de las dos capas 13 ó 14, aquí en la capa superior 13, está
aplicada otra capa plana, también electroconductiva, como sonda 12
que forma la segunda superficie del condensador, estando dispuesta
la superficie metálica 15 de forma móvil con respecto a la sonda 12
formando junto con la misma un segundo condensador plano, variable,
por ejemplo con aire como dieléctrico. La superficie metálica 15
también puede estar puesta a tierra mediante una línea 17. La
superficie metálica 15 forma junto con la sonda 12 una capacidad de
una las mitades del puente, la sonda 12 y la capa metálica 11 forman
la segunda capacidad de la misma mitad del puente: esta estructura
representa una mitad del puente. En el lado de la placa multicapa
10, opuesto a la sonda 12, es decir en la capa 14 inferior de
aislamiento eléctrico, están aplicados otros elementos eléctricos
constructivos 16.
Con la estructura representada en la figura 10
resulta un cambio de diferente magnitud de la tensión diagonal del
puente Du, según de qué lado se aproxime una superficie
electroconductiva, por ejemplo la superficie metálica 15, a la placa
multicapa 10. Por tanto, un lado de la placa puede actuar como
sonda, es decir aquí el lado superior con la sonda 12
electroconductiva, mientras que el otro lado de la placa, aquí la
capa 14, es insensible a la aproximación de una superficie
conductiva, por ejemplo de la superficie metálica 15, incluso si
ésta está puesta a tierra.
La superficie del condensador, formada por la
capa intermedia 11 electroconductiva, puede sustituirse también por
un condensador concreto que esté conectado con una conexión a la
sonda 12. En este caso, sin embargo, resulta un cambio
aproximadamente igual de grande de la tensión diagonal del puente
Ud, independientemente de cual de los lados una superficie
electroconductivo se aproxime o se aleje del sensor 12. Por ello,
una capa intermedia o un apantallamiento como, por ejemplo, la capa
intermedia 11 electroconductiva debería preverse siempre si el
grosor del conmutador de aproximación es más fino que su zona de
influencia.
Además, de esta manera es posible de una manera
sencilla y económica fabricar conmutadores capacitivos de
aproximación de construcción plana, que puedan montarse también
sobre una pieza metálica puesta a tierra.
El objeto de la invención es apropiado,
especialmente, para el uso como conmutador capacitivo de proximidad
altamente sensible. La utilidad del conmutador de proximidad según
la invención consiste especialmente en que el mismo, en un lado, es
altamente sensible a la aproximación de un objeto metálico, siendo
prácticamente insensible a tal aproximación en el lado opuesto.
Claims (13)
1. Conmutador capacitivo de proximidad para
evaluar cambios de la capacidad del mismo, con un puente eléctrico
de corriente alterna compuesto por cuatro derivaciones de puente que
se extienden respectivamente entre dos de cuatro nodos de
conmutación del puente, estando aplicada en dos nodos de conmutación
opuestos, no adyacentes del puente una tensión alterna como tensión
de alimentación de puente (ubr), y formando respectivamente las dos
derivaciones de puente entre los dos nodos de conmutación de
alimentación una de las dos mitades del puente, y pudiendo tomarse
en los otros dos nodos de conmutación, a través de circuitos
derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2), una tensión diagonal de
puente (Ud) a evaluar para la detección de una superficie
electroconductiva (15) que se aproxime o se aleje, especialmente una
superficie metálica (15), que forma parte de un condensador (C1)
variable en una de las derivaciones de puente del circuito en
puente, encontrándose en las demás derivaciones del puente como
reactancias adicionales al menos un condensador (C1, C2, C3, C4) o
al menos un condensador (C1, C2, C3, C4) y/o al menos una
resistencia (R9, R10), en donde para rectificar las dos tensiones de
derivación de puente (uc1, uc3) están dispuestos, por separado según
la mitad de puente correspondiente, rectificadores (N1, N2, N3, N4,
S1, S2, S3, S) en los circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1,
DSp2), y la tensión diagonal de puente (Ud) se evalúa sólo después
de la rectificación de las dos tensiones de derivación de puente
(uc1, uc3) como tensión continua que cambia conforme al cambio de la
capacidad del condensador (C1) variable, caracterizado
porque
- a)
- el conmutador de proximidad se compone de una placa multicapa (10) plana compuesta por al menos dos capas de aislamiento eléctrico (13, 14), entre las que se encuentra una capa intermedia (11) electroconductiva como primera superficie de un condensador en una de las dos derivaciones de puente de una de las mitades de puente
- b)
- en una de las capas (13, 14), en el lado opuesto a la capa intermedia (11), está aplicada otra capa electroconductiva plana como sonda (12), que forma la segunda superficie de dicho condensador,
- c)
- la superficie electroconductiva (15) es móvil en relación con dicha sonda (12) formando junto con la misma el condensador (C1) plano, variable del circuito en puente.
2. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 1, caracterizado porque los rectificadores en
los circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2) son o bien
diodos (N1, N2, N3, N4) o bien circuitos (S1, S2, S3, S4)
controlados, preferentemente cuatro, respectivamente.
3. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 2, caracterizado porque los conmutadores (S1,
S2, S3, S4) se cierran y se abren de forma sincrónica con la tensión
de alimentación de puente (ubr), por pares (S1, S3; S2, S4),
mediante tensiones de control (Ust1, Ust2) y se excitan en oposición
de fases y se conmutan de forma sincrónica con la tensión de
alimentación de puente (ubr) de un estado de conmutación a otro.
4. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque para suprimir
interferencias acopladas, delante de los rectificadores (N1, N2, N3,
N4, S1, S2, S3, S4) de las tensiones de derivación de puente (uc1,
uc3) está conectado un filtro pasabajos (R3, C8 y R4, C7)
respectivamente.
5. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 4, caracterizado porque las capacidades de los
filtros pasabajos (C8 o C7) están formadas por las capacidades
parasitarias de los rectificadores (N1, N2, N3, N4, S1, S2, S3,
S4).
6. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 2, caracterizado porque como conmutadores para
la rectificación de las tensiones de derivación de puente (uc1, uc3)
se emplean dos conmutadores (W1, W2).
7. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 1, caracterizado porque la superficie del
condensador, formada por la capa intermedia (11) electroconductiva,
está sustituida por un condensador discreto que está conectado con
una conexión a la sonda (12).
8. Conmutador de proximidad según la
reivindicación 2, caracterizado porque, para mejorar la
resistencia a las interferencias, los diodos (N1, N2, N3, N4) son
diodos lentos.
9. Procedimiento para la evaluación de los
cambios de la capacidad de un conmutador capacitivo de proximidad
con un puente eléctrico de corriente alterna compuesto por cuatro
derivaciones de puente que se extienden respectivamente entre dos de
cuatro nodos de conmutación del puente, alimentándose en dos nodos
de conmutación opuestos, no adyacentes del puente una tensión
alterna como tensión de alimentación del puente (ubr), y formando
respectivamente las dos derivaciones de puente entre los dos nodos
de conmutación de alimentación una de las dos mitades del puente, y
tomándose en los otros dos nodos de conmutación, a través de
circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2), una tensión
diagonal de puente (Ud) a evaluar para la detección de una
superficie electroconductiva (15) que se aproxime o se aleje,
especialmente una superficie metálica (15), que forma parte de un
condensador (C1) variable en una de las derivaciones de puente del
circuito en puente, encontrándose en las demás derivaciones del
puente como reactancias adicionales al menos un condensador (C1, C2,
C3, C4) o al menos un condensador (C1, C2, C3, C4) y/o al menos una
resistencia (R9, R10), en donde la tensión diagonal de puente (Ud)
se evalúa sólo después de la rectificación de las dos tensiones de
derivación de puente (uc1, uc3) como tensión continua que cambia
conforme al cambio de la capacidad del condensador (C1) variable,
caracterizado porque
- a)
- las dos tensiones de derivación de puente (uc1, uc3) son rectificadas por separado, según la mitad correspondiente del puente, por cuatro conmutadores (S1, S2, S3, S4) controlados como rectificadores en los circuitos derivados de tensión diagonal (DSp1, DSp2),
- b)
- los conmutadores son cerrados y abiertos y excitados en oposición de fases de forma sincrónica con la tensión de alimentación del puente (ubr), por pares (S1, S3, S2, S4), mediante tensiones de control (Ust1, Ust2), y conmutados de forma sincrónica con la tensión de alimentación de puente (ubr) de un estado de conmutación al otro,
- c)
- la frecuencia de la tensión de alimentación del puente (ubr) y, por tanto, también la de la señal de conmutación de los conmutadores (S1, S3, S2, S4) se modifican constantemente.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque para el ajuste del puente y para ajustar
el punto cero de la tensión diagonal de puente (Ud), la capacidad
del condensador (C2, C3, C4) variable en una de las derivaciones del
puente se modifica de tal forma que en el punto de conmutación del
conmutador de proximidad la tensión diagonal de puente (Ud) sea
igual a cero evaluándose sólo el signo de la tensión diagonal de
puente (Ud).
11. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque para ajustar el punto cero de la tensión
diagonal de puente (Ud), dos de los conmutadores (S1, S2, S3, S4) se
conectan con una de sus conexiones respectivamente a una fuente de
tensión de referencia (Uref1, Uref2), cuyo valor correspondiente se
ajusta de tal forma que en la salida se ajuste la tensión diagonal
de puente (Ud) deseada de cero voltios (OV).
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque para la compensación del puente, las dos
tensiones de referencia (Uref1, Uref2) se deducen de la tensión de
alimentación de puente (ubr) y se rectifican de tal forma que entre
la amplitud de la tensión de alimentación del puente (ubr) y la
tensión de referencia (Uref1, Uref2) correspondiente exista una
relación lineal.
13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó
12, caracterizado porque las tensiones de referencia (Uref1,
Uref2) se ajustan a los valores deseados con la ayuda de un divisor
de tensión, respectivamente.
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