BE1007258A3

BE1007258A3 - Capacitieve sensorschakeling.

Info

Publication number: BE1007258A3
Application number: BE9300680A
Authority: BE
Inventors: Boer Jan Reinder De
Original assignee: Philips Electronics Nv
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1995-05-02
Also published as: EP0632593A1; EP0632593B1; KR950003829A; BR9402565A; DE69405168D1; DE69405168T2; US5498914A; AU6609694A; CN1103520A; SG44017A1; CA2126964A1; JPH0729469A

Abstract

Capacitieve sensorschakeling omvattend; een sensorelektrode (16) welke een eerste plaat vormt van een sensecondensator (14) ten opzichte van een referentieklem (10) en een eerste (2) en tweede (26) inverterende Schmitt-trigger met gelijke drempelspanningen. De eerste trigger (2) is teruggekoppeld van de uitgang (6) naar de ingang (4) met een terugkoppelweerstand (8) en vormt met de sensorcondensator (14) een oscillator waarvan de frekwentie afhankelijk is van de grootte van de sensecondensator (14). De ingang (24) van de tweede trigger (26) is via een serieweerstand (22) verbonden met de uitgang (6) van de eerste trigger (2) en via een referentiecondensator (30) verbonden met de referentieklem (10). De weerstandswaarde van de terugkoppelweerstand (8) en de serieweerstand (22) zijn gelijk. Aan de uitgang (32) van de tweede trigger (26) veschijnt een DC signaal als de capaciteit van de sensecondensator (14) kleiner is dan de capaciteit van de referentiecondensator (30) en een AC signaal in het omgekeerde geval.

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Capacitieve sensorschakeling 
De uitvinding heeft betrekking op een capacitieve sensorschakeling omvattend : een sensorelektrode welke een eerste plaat vormt van een sensecondensator ; een eerste inverterende versterker, voorzien van een ingang welke is verbonden met de sensorelektrode en een uitgang ; een tweede versterker, voorzien van een ingang welke is gekoppeld met de uitgang van de eerste inverterende versterker en voorzien van een uitgang ; een terugkoppelweerstand welke is aangesloten tussen de uitgang en de ingang van de eerste inverterende versterker. 



   Een dergelijke sensorschakeling is bekend uit de European Patent Application No. EP 0 524 708, waarin de schakeling wordt toegepast om een personal care apparaat in te schakelen als het wordt opgepakt door de gebruiker van het apparaat en om het apparaat weer uit te schakelen als het apparaat wordt neergelegd. De sensorelektrode, de inverterende eerste versterker en de terugkoppelweerstand vormen een oscillator, ook wel astabiele multivibrator genoemd, waarvan de oscillatiefrekwentie onder meer bepaald wordt door de waarde van de terugkoppelweerstand en door de grootte van de capaciteit tussen de sensorelektrode en de signaalmassaklem van de capacitieve sensorschakeling. Hoe groter de capaciteit, des te lager de oscillatiefrekwentie. Als de gebruiker het apparaat oppakt, is er een relatief grote capaciteit ten opzichte van massa en is de frekwentie relatief laag.

   Als het apparaat is neergelegd, is de capaciteit relatief klein ten opzichte van massa en is de frekwentie relatief hoog. Het frekwentieverschil of de frekwentieverhouding tussen de relatief lage en hoge oscillatiefrekwentie wordt gemeten met een frekwentie-naar-spanningomzetter en omgezet in een spanningsverschil, waarmee een schakelaar wordt bekrachtigd die het apparaat in werking stelt. De tweede versterker dient hierbij als buffer tussen de oscillerende eerste inverterende versterker en de frekwentie-naar-spanning omzetter. 



  Deze bekende capacitieve sensorschakeling is nogal gevoelig voor spreidingen in de eigenschappen en waarden van de toegepaste componenten. Uit onder meer het Europäische Patentschrift EP 0   104 422   is bekend om de oscillatiefrekwentie te 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 vergelijken met die van een tweede oscillator welke is voorzien van een referentiecapaciteit ten opzichte van massa. De capaciteit van de sensorelektrode wordt met de capaciteit van de referentiecondensator vergeleken op basis van frekwentiemeting. Met een poortschakeling wordt een signaal verkregen die een maat is voor de oscillatiefrekwenties. Deze bekende oplossing kan nauwkeurig zijn, maar kost een poortschakeling of een ander   comcidentiecircuit.   



   De uitvinding heeft tot doel een capacitieve sensorschakeling aan te geven waarin een dergelijk coïncidentiecircuit niet nodig is, zodat er onderdelen bespaard kunnen worden, maar die toch nauwkeurig is. 



   Een capacitieve sensorschakeling van de in de aanhef genoemde soort is daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat een serieweerstand is aangesloten tussen de uitgang van de eerste inverterende versterker en de ingang van de tweede versterker, welke serieweerstand een weerstandswaarde heeft die vrijwel gelijk is aan de weerstandswaarde van de terugkoppelweerstand ; een referentiecondensator is aangesloten tussen de ingang van de tweede versterker en een referentieklem, welke referentiecondensator een capaciteitswaarde heeft die vrijwel gelijk is aan een voorbepaalde waarde van de capaciteit van de sensorelektrode ten opzichte van de referentieklem ; en dat de eerste inverterende versterker en de tweede versterker zijn uitgevoerd als Schmitt-triggers met onderling vrijwel gelijke lage en hoge   ingangsdrempelspanningen.   



   Door de genomen maatregelen wordt bereikt dat aan de uitgang van de tweede versterker een gelijkspanningsniveau heerst wanneer de capaciteit van de sensorelektrode kleiner is dan de referentiecapaciteit, en dat in het tegenovergestelde geval aan de uitgang van de tweede versterker een wisselspanning heerst met dezelfde frekwentie als die van de oscillerende eerste inverterende versterker. De overgang van gelijkspanning naar wisselspanning is weinig gevoelig voor toleranties en kan betrouwbaar worden vastgesteld met een   frekwentie-naar-spanningomzetter,   welke omzetter nu alleen nog maar tot taak heeft te onderscheiden of een signaal een gelijkspanning is met frekwentie nul of een wisselspanning met een frekwentie ongelijk nul.

   Teneinde de invloed van componentspreiding tot een minimum te beperken, zijn de eerste en tweede versterkers bij voorkeur identieke NAND Schmidt-triggers welke zijn ondergebracht in een halfgeleiderlichaam. 



   De capacitieve sensorschakeling is geschikt voor het in- en uitschakelen 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 van allerlei elektrische apparaten met een handgreep, zoals elektrische tandenborstels, scheerapparaten, strijkijzers, haardrogers, boormachines, stofzuigers, en voor in- en uitschakelen van elektrische apparaten met tip-toetsbediening, zoals audio-en videoapparaten, ovens, kookplaten en dergelijke. 



   Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen worden beschreven en toegelicht onder verwijzing naar bijgaande tekening, waarin
Figuur 1 een schakelschema toont van een capacitieve sensorschakeling volgens de uitvinding,
Figuur 2 een schakelschema toont van een elektrisch apparaat met een capacitieve sensorschakeling volgens de uitvinding, en
Figuur 3 een haardroger toont met in de handgreep ingebouwd een capacitieve sensorschakeling volgens de uitvinding. 



   In deze figuren zijn onderdelen met gelijke functie of betekenis met dezelfde referentienummers aangeduid. 



   Figuur   l   toont een capacitieve sensorschakeling volgens de uitvinding. 



  Van een eerste inverterende versterker 2, uitgevoerd als Schmitt-trigger, is de ingang 4 verbonden met de uitgang 6 via een terugkoppelweerstand 8. Tussen de ingang 4 en een referentieklem 10 welke fungeert als signaalmassa voor de sensorschakeling zijn twee condensators aanwezig. Als eerste een parasitaire ingangscondensator 12 met waarde Cpl en als tweede de capaciteit Cs van een sensecondensator 14, waarvan een eerste plaat wordt gevormd door een sensorelektrode 16 welke is verbonden met de ingang 4. 



  De tweede plaat wordt gevormd door de referentieklem 10 waarmee desgewenst nog een tweede sensorelektrode 18 kan zijn verbonden. In netgevoede apparaten met een handgreep is het voldoende alleen de sensorelektrode 16 in te bouwen in de handgreep. 



  De referentieklem 10 is dan via de voeding van de sensorschakeling gekoppeld met de aarde van het net. Bij beetpakken door een gebruiker verandert dan de capaciteit Cs ten opzichte van aarde. Hierbij kan tevens een bromspanning Vm met de netfrekwentie opgevangen worden welke bromspanning is gesymboliseerd door een wisselspanningsbron 20 tussen de eventuele tweede sensorelektrode 18 en de referentieklem 10. De inverterende versterker 2, de terugkoppelweerstand 8 en de beide condensatoren 12 en 14 vormen een oscillator waarvan de oscillatiefrekwentie   F s   afneemt met toenemende totale capaciteit Cpl + Cs van de condensatoren 12 en 14.

   In het voornoemde apparaat met sensorelektrode 16 in de handgreep zal de 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 oscillatiefrekwentie Fs relatief laag zijn als het apparaat bij de handgreep wordt beetgepakt en relatief hoog als het apparaat weer wordt weggelegd. Als de opgevangen bromspanning Vm zeer groot is, dan is er geen sprake meer van vrije oscillatie en wordt de oscillatiefrekwentie Fs geforceerd gelijk gemaakt aan de netfrekwentie. De uitgang 6 van de eerste inverterende versterker 2 is via een serieweerstand 22 verbonden met de ingang 24 van een tweede inverterende versterker 26, die eveneens is uitgevoerd als Schmitt-trigger. De ingang 24 is via een parasitaire condensator 28 met waarde Cp2 en een referentiecondensator 30 met waarde Cr verbonden met de referentieklem 10. 



   Hoewel dit voor de werking van de capacitieve sensorschakeling niet essentieel is, zal ter vereenvoudiging van een globale berekening van de oscillatiefrekwentie Fs worden aangenomen dat de gemiddelde waarde van de lage drempelspanning   V,   en de hoge drempelspanning Vh halverwege de voedingsspanning   V ce   liggen en dat hun verschilspanning V is : 
 EMI4.1 
 Tijdens het oscilleren varieert binnen een periode T de spanning V (t) over de totale capaciteit op de ingang 4 tussen de lage drempelspanning   V   en de hoge drempelspanning Vh. De terugkoppelweerstand 8 kan daarbij gezien worden als een stroombron die na elke halve periode T/2 van polariteit omkeert.

   De spanning op de totale capaciteit verloopt volgens : 
 EMI4.2 
 
 EMI4.3 
 Hierin is V de beginspanning, r = R * (Cs+Cpl) en R de waarde van de terugkoppelweerstand 8. Voor een halve periodetijd geldt dan met t = T/2, V = v I = Vh 
 EMI4.4 
 
 EMI4.5 
 waarbij geldt dat a = Vj/Vcc-r waarde van Ci mag vergelijking (3) benaderd worden met 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 
 EMI5.1 
 De oscillatiefrekwentie Fs is dus bij benadering gelijk aan : 
 EMI5.2 
 Aan de uitgang 6 staat een blokvormige spanning waarmee via de serieweerstand 22 de condensators 28 en 30 worden geladen en ontladen.

   Hierbij ontstaat een rimpelspanning over de condensatoren 28 en 30 waarvan de piek-piekspanning   V pp   bij benadering gelijk is aan : 
 EMI5.3 
 Door nu R2 gelijk te kiezen aan   R   en vergelijking (5) te substitueren in vergelijking (6) volgt   nu :   
 EMI5.4 
 Door nu voor de tweede inverterende versterker 26 een Schmitt-trigger te nemen met dezelfde spanningsverschil V tussen de hoge en lage drempelspanning als voor de 
 EMI5.5 
 eerste inverterende versterker 2 wordt het volgende bereikt. Wanneer Cs kleiner is dan Cr, is Vpp dan V waardoor de beide triggerdrempels V en van de tweede inverterende versterker 26 niet wordt overschreden en op diens uitgang 32 een DC niveau staat.

   Wanneer Cs groter is dan Cr, dan is Vpp groter dan   Vn,   waardoor de beide triggerdrempels Vn en Vh periodiek wordt overschreden en er een AC signaal met de oscillatiefrekwentie Fs op de uitgang 32 staat. Het spanningsverschil Vn is vrijwel gelijk voor de inverterende versterkers 2 en 26 als de versterkers identiek zijn en zijn   gemtegreerd   op één halfgeleiderlichaam. Dit heeft als extra voordeel dat dan de parasitaire condensatoren Cpl en Cp2 ook vrijwel even groot zijn en de invloed van die parasitaire condensatoren op de amplitude van Vpp wordt uitgeschakeld. De weerstanden 8 en 22 hebben een even grote waarde.

   Een eventuele parasitaire capaciteit parallel aan die weerstanden zal nu eveneens geen effect hebben op de rimpelspanning Vpp, omdat aan uitgang 6 een strikt symmetrische belasting gezien wordt naar de 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 referentieklem 10. 



   Er wordt zo bereikt dat de uitgang 32 een AC signaal afgeeft als Cs groter is dan Cr en een DC signaal als Cs kleiner is dan Cr, waarbij onnauwkeurigheden als gevolg van spreiding in componenten door de symmetrie van de schakeling zo goed mogelijk worden geëlimineerd. Het detecteren of uitgang 32 een AC of een DC signaal voert kan met behulp van een comparator 34, eveneens gevormd door een inverterende Schmitt-trigger, met een ingang 36 en een uitgang 38, welke ingang 36 via een ladingspomp 40 signaal ontvangt van de uitgang 32 van de tweede inverterende versterker 26.

   De ladingspomp 40 bevat een eerste condensator 42 die is aangesloten tussen de uitgang 32 en een knooppunt 44, een eerste diode 46, waarvan de kathode met het knooppunt 44 en de anode met de referentieklem 10 is verbonden, een tweede diode 48, waarvan de anode met het knooppunt 44 en de kathode met de ingang 36 is verbonden en een weerstand 50 en een tweede condensator 52, die zijn aangesloten tussen de ingang 36 en de referentieklem 10. 



   Per oscillatieperiode 1/F kan voor de laadstroom i door condensator 42 bij benadering geschreven worden : 
 EMI6.1 
 Hierin is   C   de waarde van condensator 42, Vj de junctiespanning van de diodes 46 en 48, V2 de spanning over condensator 52 en R3 de waarde van weerstand 50. Als de drempelspanningen van de comparator 34 ongeveer halverwege de voedingsspanning V liggen, dan moet bij de laagst voorkomende frekwentie   F   de spanning   V   gelijk zijn aan Vcc/2 en er geldt dan : 
 EMI6.2 
 Zoals eerder opgemerkt kan de oscillatiefrekwentie even groot zijn als de opgevangen netfrekwentie. Met Fi = 20 Hz, Vcc = 5 V en Vj = 0, 7 V volgt uit vergelijking (9) voor de tijdconstante   R3*Cl   een waarde van ongeveer 114 ms.

   Met condensator 52 wordt enige vertraging ingebouwd bij het omschakelen van de comparator 34. 



   Figuur 2 toont de capacitieve sensorschakeling van Figuur 1 toegepast in een elektrisch apparaat. De inverters 2,26 en 34 zijn uitgevoerd met dual input 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 Schmitt-trigger NANDs. De uitgang 38 van inverter 34 stuurt via een vierde dual input Schmidt-trigger NAND 54 en een stroombegrenzingsweerstand 74 de basis van een NPN schakeltransistor 56 waarvan de emitter via een licht emitterende diode (LED) 58 met de referentieklem 10 is verbonden en waarvan de collector via een onderbreekschakelaar 60 de bekrachtigingsspoel 62 van een relais 64 aanstuurt. Het relais en de NANDs ontvangen voedingsspanning van een niet getekende voedingsspanningsbron, welke kan zijn uitgevoerd met een niet getekende gelijkrichtschakeling. Het relais bedient een schakelaar 66 die tussen netspanningsklemmen 68 en 70 in serie is geschakeld met een belasting 72.

   De belasting 72 kan bijvoorbeeld een motor zijn, een verwarmingselement, een lamp, of wat dan ook maar in- en uitgeschakeld moet worden. 



   Bij relatief lage oscillatiefrekwenties, d. w. z. als de sensorelektrode 16 wordt benaderd zoals bij beetpakken van het apparaat, is op uitgang 32 een AC signaal aanwezig, zodat ingang 36 hoog is. Uitgang 38 is dan laag en via de inverter 54 wordt transistor 56 in geleiding gestuurd. De bekrachtigingsspoel 62 van relais 64 wordt bekrachtigd, de schakelaar 66 wordt gesloten en de belasting 72 ontvangt netspanning. 



  Met de onderbreekschakelaar 60 kan de stroomtoevoer naar de bekrachtigingsspoel 62 onderbroken worden en het elektrische apparaat buiten werking worden gesteld. De LED 58 geeft een signalering dat de belasting op het net is aangesloten via de schakelaar 66. Wanneer het apparaat wordt weggelegd is de oscillatiefrekwentie relatief hoog, uitgang 32 is dan continu hoog en ingang 36 is laag, waardoor uitgang 38 hoog is en de transistor 56 geen basisstroom ontvangt. Het relais 64 is nu niet bekrachtigd, de LED 58 is gedoofd en de belasting 72 is losgekoppeld van de netspanning. Het relais wordt dus bekrachtigd in responsie op het AC/DC signaal op de uitgang 32 van de tweede inverterende versterker 26. 



   De tweede versterker 26 mag ook niet-inverterend zijn omdat dit voor de beslissing of er op uitgang 32 een AC of DC signaal staat niets uitmaakt. De waarde Cr van de referentiecondensator 30 is afhankelijk van de te verwachten waarden van de sensecondensator 14. 



   Figuur 3 toont een elektrische haardroger met een handgreep 74, waarin de sensorelektrode 16 is aangebracht. De capacitieve sensorschakeling en de overige elektronica van figuur 2 is ondergebracht op een printplaat 76 die eveneens in de handgreep 74 is aangebracht.

Claims

Conclusies EMI8.1 1. Capacitieve sensorschakeling omvattend een sensorelektrode (16) welke een eerste plaat vormt van een sensecondensator (14) een eerste inverterende versterker (2), voorzien van een ingang (4) welke is verbonden met de sensorelektrode (16) en een uitgang (6) een tweede versterker (26), voorzien van een ingang (24) welke is gekoppeld met de uitgang (6) van de eerste inverterende versterker (2) en voorzien van een uitgang (32) een terugkoppelweerstand (8) welke is aangesloten tussen de uitgang (6) en de ingang (4) van de eerste inverterende versterker (2), met het kenmerk, dat een serieweerstand (22) is aangesloten tussen de uitgang (6) van de eerste inverterende versterker (2) en de ingang (24) van de tweede versterker (26), welke serieweerstand (22) een weerstandswaarde heeft die vrijwel gelijk is aan de weerstandswaarde van de terugkoppelweerstand (8)

een referentiecondensator (30) is aangesloten tussen de ingang (24) van de tweede versterker (26) en een referentieklem (10), welke referentiecondensator (30) een capaciteitswaarde heeft die vrijwel gelijk is aan een voorbepaalde waarde van de capaciteit van de sensorelektrode (16) ten opzichte van de referentieklem (10) en dat de eerste inverterende versterker (2) en de tweede versterker (26) zijn uitgevoerd als Schmitt-triggers met onderling vrijwel gelijke lage en hoge ingangsdrempelspanningen.
2. Capacitieve sensorschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste versterker (2) en de tweede versterker (26) beide identieke NAND Schmitttriggers zijn welke zijn ondergebracht in een halfgeleiderlichaam.
3. Capacitieve sensorschakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de capacitieve sensorschakeling verder omvat een comparator (34) met een ingang (36) en een uitgang (38) en een ladingspomp (40) voorzien van een eerste condensator (42) aangesloten tussen de uitgang (32) van de tweede versterker (26) en een knooppunt (44), een eerste diode (46) aangesloten tussen het knooppunt (44) en de referentieklem (10), een tweede diode (48) aangesloten tussen het knooppunt (10) en de ingang (36) van de comparator (34), waarbij een anode van een (48) van de eerste (46) en tweede (48) diode en een kathode van de ander (46) van de eerste (46) en tweede (48) diode zijn verbonden met het knooppunt (44), een weerstand (50) en een tweede condensator (52) welke beide zijn aangesloten tussen de ingang (36) van de comparator (34) en de referentieklem (10).
4. Capacitieve sensorschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat <Desc/Clms Page number 9> de comparator (34) een Schmitt-trigger is met drempelspanningen welke ongeveer halverwege de voedingsspanning van de Schmidt-trigger liggen.
5. Elektrisch apparaat, voorzien van een belasting (72) en van een stuurbare schakelaar (56,62, 64,66) met een hoofdstroompad (66) dat in serie is geschakeld met de belasting (72) en met een stuurstroompad (56,62) voor ontvangst van een stuursignaal voor het in- en uitschakelen van de stuurbare schakelaar (56,62, 64,66) in responsie op een signaal van de uitgang (32) van de tweede versterker (26) van een capacitieve sensor volgens conclusie l, 2,3 of 4.
6. Elektrisch apparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het elektrisch apparaat is voorzien van een handgreep (74), waarin de sensorelektrode (16) is aangebracht.