La présente invention concerne un interrupteur électronique
actionné au toucher.
Un interrupteur électronique actionné au toucher, fonctionnant au simple toucher d'un utilisateur et ne comportant aucune pièce mobile, paraît avantageux pour remplacer les interrupteurs mécaniques dans pratiquement toutes les applications des inter
rupteurs.
De plus, un interrupteur électronique actionné au toucher, peu coûteux, compact, fiable, peu sensible aux signaux de bruit, pouvant être fabriqué facilement et fonctionnant avec des cou
rants d'entrée d'un niveau inférieur à celui dangereux pour les humains, répond à un besoin.
La présente invention vise à répondre aux besoins de ce genre.
Elle a pour objet un interrupteur électronique actionné au toucher, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit logique ayant une première et une seconde entrée, destiné à recevoir des signaux en vue de leur comparaison, et une sortie pour fournir un signal de sortie qui est fonction de la différence des signaux d'entrée reçus, au moins une surface de touche reliée électriquement à une des entrées du circuit logique, des moyens récepteurs pour recevoir un signal de tension alternatif et des moyens pour assurer une connexion électrique entre ces moyens récepteurs et le circuit logique pour fournir un signal de tension alternatif sensiblement équilibré à la première et à la seconde entrée du circuit logique.
Le mode de réalisation préféré d'un interrupteur électronique actionné au toucher selon la présente invention comprend deux surfaces de touche interconnectées par une paire torsadée de fils conducteurs avec les entrées logiques doubles d'un circuit logique
OU exclusif.
De plus, dans le mode de réalisation préféré, une tension de mode commun est fournie par le secteur électrique aux entrées doubles du circuit logique. Si le circuit logique est du type mis à la masse, cette tension d'entrée de mode commun peut être fournie par une interconnexion électrique avec les conducteurs du secteur.
Si on désire obtenir un interrupteur du type flottant, cette interconnexion électrique peut être assurée, par exemple, par l'oscillation électrique du secondaire d'un transformateur utilisé dans l'alimentation en énergie de l'interrupteur.
On peut aussi utiliser un shunt partiel sur cette entrée de mode commun pour accroître l'immunité aux bruits de l'interrupteur et, dans le mode de réalisation préféré, ce shunt se présente sous la forme d'une résistance placée entre les entrées doubles du circuit logique.
La sortie du circuit logique est alors pourvue, dans le mode de réalisation préféré, d'un condensateur d'intégration et d'un amplificateur supplémentaire avec une puissance suffisante pour satisfaire les besoins en énergie de l'interrupteur électronique.
L'utilisation d'un circuit sensible différentiel, dans ce cas le circuit logique, dans l'interrupteur de la présente invention permet d'augmenter l'immunité aux bruits de l'interrupteur et, de ce fait, permet l'utilisation d'un câblage d'entrée de grande longueur si on le désire.
Les buts et avantages précités de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après d'un mode de réalisation donné à titre illustratif et faite en référence au dessin annexé sur lequel:
la fig. 1 est un schéma synoptique et de circuit d'un interrupteur électronique actionné au toucher selon la présente invention, diverses parties du schéma de circuit ayant été entourées par des traits mixtes et par des traits pleins pour indiquer les blocs fonctionnels principaux;
la fig. 2 représente une variante de réalisation d'une partie des circuits de la fig. 1;
la fig. 3 montre un mode de réalisation préféré des circuits pouvant être utilisés dans l'interrupteur de la fig. 1.
Sur la fig. 1, I'interrupteur électronique actionné au toucher selon la présente invention est référencé 10 dans son ensemble et comprend, comme représenté, des surfaces de touche 12 et 13, un bloc sensible différentiel 14, un circuit d'entrée 15, un moyen d'intégration se présentant sous la forme d'un condensateur 16, et un bloc amplificateur supplémentaire 18. Une alimentation électrique fournissant l'énergie électrique aux parties précitées est également représentée, et comprend une partie constituant une source de tension alternative de mode commun référencée 22.
D'une façon plus particulière, les surfaces de touche 12 et 13 sont représentées comme étant reliées aux points de jonction 24 et 26 du circuit d'entrée 15 avec le bloc sensible différentiel 14 qui, dans ce mode de réalisation préféré, est un circuit logique OU exclusif. Le fil conducteur 28 relie électriquement la surface de touche 12 au point de jonction 26 par l'intermédiaire d'une résistance 32 utilisée pour assurer un niveau de courant inférieur à celui qui est dangereux pour les humains, c'est-à-dire le niveau entre la surface de touche 12 et les éléments électroniques restants.
D'une façon similaire, le fil conducteur 30 relie électriquement la surface de touche 13 au point de jonction 24 par l'intermédiaire d'une résistance 34 et il a sensiblement la même longueur que le fil 28. La paire torsadée des fils 28 et 30 est utilisée pour obtenir une meilleure suppression du bruit ou immunité au bruit conjointement avec le bloc sensible différentiel 14 quand une longue connexion d'entrée est utilisée entre les surfaces de touche 12 et 13 et le bloc sensible 14.
Les points de jonction 24 et 26 sont ensuite reliés aux entrées doubles 21 et 23 du bloc sensible 14 par des fils conducteurs 25 et 27 respectivement. Aux points de jonction 24 et 26 du circuit d'entrée est aussi appliqué un signal de tension alternative de mode commun en provenance des blocs 20 et 22.
D'une façon plus particulière, l'alimentation 20 comprend un transformateur référencé 36 dans son ensemble et comportant un primaire 38 et un secondaire 40. Le primaire 38 comprend des bornes 42 et 44 reliées à une source de courant alternatif, la borne 44 étant représentée reliée à la masse référencée 46.
Le bloc 22 est aussi branché entre les bornes 42 du transformateur 36 et la masse 46 par un fil conducteur 48 dont une des extrémités est reliée à la borne 42 et dont l'autre extrémité est reliée à une résistance 50 d'un diviseur de tension. La résistance 50 est elle-même reliée à un point de jonction 52 qui est relié aussi à une résistance supplémentaire 54 de diviseur de tension, laquelle est elle-même reliée à la masse 46 par un fil conducteur 56. Le bloc 22 est ensuite relié aux points de jonction 24 et 26 par un fil conducteur 58 s'étendant entre le point de jonction 52 situé à l'intérieur du bloc 22 et un autre point de jonction 60 situé à l'intérieur du circuit d'entrée 15 et qui est lui-même relié au point de jonction 24 par une résistance 62 et au point de jonction 26 par une résistance 64.
Un moyen servant de shunt au signal d'entrée appliqué au bloc sensible 14 est représenté sous la forme d'une résistance 65 branchée entre les points de jonction 24 et 26.
De ce fait, le circuit d'entrée 15 comprend les résistances 32, 34, 62, 64 et 65, les points de jonction 24, 26 et 60 et les fils conducteurs 25, 27 et 58.
Les parties restantes de l'alimentation 20 comprennent une diode redresseuse 66 branchée entre une première borne 68 du secondaire 40 et un point de jonction 70 relié également à un des côtés d'un condensateur de filtrage 72. L'autre côté du condensateur 72 est relié à un point de jonction 74 qui est aussi relié à une autre borne 76 du secondaire 40 ainsi qu'à la masse 46.
Le bloc sensible 14 est, dans le mode de réalisation préféré, une porte classique OU exclusif formé de portes logiques complémentaires comme par exemple le circuit OU exclusif
N" MC14507AL ou MC14507CL vendu communément par
Motorola Semiconductors et qui utilise des semi-conducteurs
MOS à canal P et à canal N du mode enrichi. Du fait que cette cellule logique est du type normalisé qui peut être identifiée comme le type 4030, on peut également l'obtenir chez d'autres fabricants. Par exemple, le département Etat solide de RCA vend un circuit logique série modèle CD4030 utilisé avec succès. Toutefois, la titulaire a représenté et préfère le dispositif fabriqué par
Motorola.
Le bloc sensible 14 comprend ensuite, comme on peut le voir sur la fig. 3, des dispositifs MOS 85-95 et des diodes 110 et 111 branchées entre les entrées 21 et 23 et une sortie logique 140. Une borne de polarisation 142 pour le circuit logique 14 est reliée à la masse 84 du circuit par un fil conducteur 144 et une tension continue provenant de l'alimentation 20 et présente au point de jonction 70 est appliquée à la seconde borne de polarisation 146 au moyen d'un fil conducteur 156, du point de jonction 158 et du fil conducteur 160.
La sortie 140 du circuit logique 14 est ensuite reliée à un point de jonction 176 par une diode 178 dont l'anode est reliée au point de jonction 140 et dont la cathode est repliée au point de jonction 176. Le point de jonction 176 est en outre relié à la masse 84 du circuit par un circuit comprenant en parallèle un condensateur 16 et une résistance 180. Le point de jonction 176 est aussi relié à l'entrée 182 de l'amplificateur 18 par une résistance 183.
L'amplificateur 18 comprend un montage Darlington de transistors NPN 184 et 186 dont les collecteurs sont reliés en commun au point de jonction 158 par une résistance 188 de limitation de courant. La base du transistor 184 est reliée à l'entrée 182 de l'amplificateur tandis que l'émetteur du transistor 186 est relié à la base d'un autre transistor NPN 190 et à la masse 84 du circuit par une connexion comprenant en série une résistance 192, une diode 194, le point de jonction 196 et la résistance 198. Le collecteur du transistor 186 est aussi relié au point de jonction 158 par une autre résistance 200 de limitation de courant. Le point de jonction 196 est aussi relié à l'émetteur du transistor 190 et à la base d'un autre transistor NPN 202 dont le collecteur est relié à la sortie 204 de l'amplificateur 18 et dont l'émetteur est relié à la masse 84 du circuit.
La résistance de charge dans l'interrupteur de la présente invention est référencée 206 dans son ensemble et est branchée, comme représenté, entre la sortie 204 et le point de jonction 158.
Le technicien en la matière comprendra que la résistance de charge 206 peut représenter une résistance réelle ou tout autre charge électronique vis-Åa-vis de l'interrupteur 10 de la présente invention. C'est en fonction des exigences en courant de la charge réelle qui doit être mise en ou hors circuit au moyen de l'interrupteur et qui est représentée par le résistance de charge 206 que la configuration précise de l'interrupteur électronique de la présente invention est établie.
En d'autres termes, bien que l'interrupteur comprenne toujours un bloc sensible différentiel 14 comportant des entrées différentielles, la configuration précise et le nombre d'étages sont dictés par les exigences en courant et la nature de la charge. En termes plus détaillés, du fait que le courant d'entrée que l'on désire utiliser est inférieur au seuil considéré comme dangereux pour les humains, c'est-à-dire en dessous de luA, la configuration et le nombre des étages nécessaires pour détecter et amplifier ce courant de façon sûre et pour fournir le courant de sortie voulu à la charge 206 sont simplement la configuration et le nombre des étages nécessaires pour obtenir le courant de sortie voulu, quel qu'il soit, à partir du courant d'entrée disponible et de niveau faible préféré.
Par conséquent, la configuration du circuit logique 14 peut varier radicalement, par exemple par le nombre d'étages ou par l'addition d'étages intermédiaires de préamplification et généralement en fonction des exigences en courant de sortie. De plus, la configuration exacte de l'amplificateur 18 varie en fonction des modifications nécessaires de l'interrupteur et il n'est pas possible d'exiger une configuration déterminée.
On va maintenant donner des valeurs préférées pour divers composants de l'interrupteur 10 de la présente invention. La tension fournie par l'alimentation 20 a une polarité et une valeur compatibles avec le reste du circuit. Dans le mode de réalisation préféré représenté, la tension présente au point de jonction 70 est positive par rapport à la masse 84 du circuit et a une valeur de 15 V. Il n'y a aucune limitation, quelle qu'elle soit, à cette polarité ou à cette valeur.
De plus, d'une façon générale, bien qu'on l'on ait donné ciaprès les valeurs préférées des composants électroniques, les techniciens en la matière comprendront qu'aucune limitation n'est donnée à ces valeurs sauf indication contraire. Les valeurs sont données à titre d'indication et de conseil aux personnes utilisant légalement la présente invention.
La valeur des résistances 32 et 34 est de l'ordre de 1 MQ et, comme indiqué, ces résistances sont destinées à protéger l'utilisateur des surfaces de touche contre tout risque de choc électrique possible, claquage électrique de l'isolant, etc. Les résistances 32 et 34 protègent en outre le circuit de la présente invention contre l'endommagement par des potentiels développés par un utilisateur, par exemple les charges d'électricité statique. De ce fait, la valeur mimimale de ces résistances est dictée par ces deux considérations. Les valeurs maximales sont dictées par des considérations pratiques de fabrication et par des considérations d'intensité de courant susceptibles de traverser ces résistances de telle manière que ces résistances ne limitent pas défavorablement les courants d'entrée.
Les résistances 62 et 64 sont de l'ordre de 100 kQ à 300 MQ avec une valeur préférée dans la région de 2,2 MQ à 300 MQ selon la sensibilité voulue de l'interrupteur. Avec une valeur de résistance faible, on obtient un signal d'entrée différentiel plus faible pour actionner l'interrupteur comme on l'expliquera par la suite de façon plus détaillée, ce qui entraîne une sensibilité plus faible de l'interrupteur. Inversement, une valeur plus élevée des résistances 62 et 64 permet d'obtenir un signal différentiel plus élevé pour actionner l'interrupteur, ce qui se traduit par une sensibilité accrue de l'interrupteur.
La sensibilité de l'interrupteur doit être comprise dans son sens normal de la valeur du signal d'entrée nécessaire pour obtenir un signal de sortie de l'interrupteur, cela avec un interrupteur de faible sensibilité nécessitant un signal d'entrée plus élevé pour obtenir un signal de sortie et un interrupteur de sensibilité élevée exigeant un signal d'entrée plus faible pour obtenir un signal de sortie. Avec l'interrupteur de la présente invention, une sensibilité élevée permettrait un actionnement de cet interrupteur, par exemple par une main gantée, ou à une légère distance des surfaces de touche 12 et 13.
Ainsi, pour les fins des applications de la présente invention, le terme toucher ne se limite pas au contact physique réel du corps d'un utilisateur avec les surfaces de touche mais se rapporte à un rapprochement suffisant du corps de l'utilisateur vis-à-vis de la surface de touche, sans pour autant qu'un contact soit nécessaire avec cette surface, pour permettre un actionnement de l'interrupteur. Comme on peut le voir, le degré de rapprochement nécessaire pour actionner l'interrupteur est directement fonction de la sensibilité de ce dernier.
Les résistances 50 et 54 servent à diviser la tension d'un signal alternatif et leurs valeurs se situent, d'une façon générale, entre 10 kQ et la zone de 1 MQ selon les niveaux d'impédance, comme il est bien connu dans la technique. De plus, le bloc 22 comprenant ces résistances peut se présenter sous d'autres formes, tout en répondant aux exigences de signaux de mode commun de la présente invention. Ces autres formes peuvent comprendre un transformateur fournissant un signal de sortie à la tension voulue, une prise de tension sur le transformateur 36 de l'alimentation 20, une résistance série de forte valeur pour réduire la tension et l'intensité aux valeurs désirées, un oscillateur, etc.
La résistance 65, dans le mode de réalisation préféré, est de l'ordre de 1 MQ, comme il sera exposé de façon plus complète par la suite.
Les valeurs du condensateur 16 et de la résistance 180 sont choisies de manière à présenter une constante de temps, c'est-àdire le produit de la valeur du condensateur par la valeur de la résistance, qui est notablement plus élevée que la période du signal de tension alternative appliquée au point de jonction 60 du circuit d'entrée 15. Ainsi, pour une fréquence préférée et supposée de 60 Hz, ainsi qu'on le décrira par la suite, un condensateur 16 d'une valeur d'environ 4000 pF donnant une constante de temps
RC approximative de 80 ms s'est révélé adéquat. D'une façon générale, du fait que l'interrupteur de la présente invention est conçu pour être fabriqué par des techniques d'intégration ou de couches épaisses, la valeur du condensateur 16 est choisie de façon suffisamment faible pour permettre cette fabrication.
La valeur de la résistance 180 est alors choisie pour être compatible avec la valeur choisie du condensateur 16 selon les contraintes mentionnées ci-dessus.
La fréquence de la tension alternative pour laquelle toutes les valeurs ont été données est de 60 Hz, c'est-à-dire la fréquence du secteur que l'on peut utiliser dans la plupart des lieux. On peut utiliser d'autres fréquences plus élevées ou moins élevées que 60 Hz, compte tenu des limitations de fréquence applicables aux sources disponibles de courant alternatif, du désir d'intégration de l'interrupteur sur un substrat ainsi que d'autres limitations bien connues des techniciens en la matière.
L'amplificateur 18 est décrit en détail dans des demandes de brevets antérieurs par la titulaire. L'amplificateur 18 peut aussi être l'un des nombreux autres amplificateurs classiques pouvant fournir les exigences en courant de l'interrupteur, comme mentionné dans le présent exposé, y compris les amplificateurs MOS ou les amplificateurs intermédiaires logiques.
La tension alternative d'entrée voulue a une valeur se situant dans une large gamme selon la sensibilité recherchée comme il sera expliqué plus en détail par la suite. Pour la fréquence de 60 Hz envisagée pour le mode de réalisation préféré, les tensions comprises entre 4 et 150 V de crête à crête ont été utilisées avec succès.
On va maintenant décrire le fonctionnement de l'interrupteur.
Fondamentalement, l'interrupteur 10 de la présente invention fonctionne lorsqu'un utilisateur touche les surfaces 12 ou 13. La capacité du corps de l'utilisateur, qui est d'environ de 50 à 100 pF, fournit un signal d'entrée déséquilibré, c'est-à-dire différentiel, au bloc sensible différentiel 14, ce signal modifiant la charge du condensateur 16.
La charge du condensateur 16 modifie alors l'état de l'amplificateur 18 de telle sorte que l'impédance électrique entre les bornes 204 et la masse 84 du circuit prend un premier état correspondant à un circuit électrique ouvert de forte impédance, c'est-à-dire la condition ouverte de l'interrupteur, ou bien un second état correspondant à un court-circuit électrique de faible impédance, c'est-à-dire la condition fermée de l'interrupteur en se rapprochant ainsi des deux états d'un interrupteur mécanique classique, la condition prise par l'impédance présente entre les bornes 204 et 84 dépendant de l'attouchement ou non des surfaces de touche 12 ou 13 par l'utilisateur.
D'une façon plus particulière, le bloc 22 d'alimentation en mode commun fournit un signal de mode commun sous la forme d'une tension alternative aux deux entrées 21 et 23 du bloc sensible différentiel 14 par l'intermédiaire du circuit d'entrée 15. C'est une caractéristique bien connue d'un circuit logique OU exclusif qu'un signal de sortie est émis par ce circuit chaque fois que les signaux d'entrée appliqués au circuit diffèrent d'une quantité excédant le seuil de tension de ce circuit. Pour le circuit MOS représenté sur la fig. 3, le seuil est d'environ la moitié de la tension appliquée aux bornes 142 et 146.
Ainsi, si aucun signal n'est appliqué aux entrées 21 et 23, un zéro logique est fourni par le bloc sensible 14. De même, plus particulièrement en ce qui concerne la présente application, un signal de tension alternatif équilibré appliqué aux entrées 21 et 23 se traduit aussi par un signal de sortie zéro logique. Il faut remarquer que le signal doit non seulement être équilibré en amplitude mais en phase, une caractéristique qui est utilisée dans le fonctionnement selon la présente invention. Il faut remarquer encore que la polarité exacte de la tension associée à un zéro logique ou à
un un logique peut varier avec les fabricants et ne constitue pas
un facteur spécifique dans la présente invention étant donné que,
si la polarité exacte se répercute sur la conception des étages
successifs, elle ne modifie pas la fonction intrinsèque de ces étages
successifs.
On notera également que, du fait que l'on utilise un
circuit OU exclusif, il n'y a pas de différence dans le signal de
sortie apparaissant à la sortie 140 si la tension appliquée à
l'entrée 21 est supérieure ou inférieure à la tension appliquée à
l'entrée 23. Dans l'un ou l'autre cas, le bloc sensible 14 fournit un
un logique de la même polarité à la sortie 140.
En supposant que le bloc sensible 14 se trouve dans un état de
repos et que le signal de tension alternatif fourni au circuit
d'entrée 15 est équilibré par rapport aux entrées différentielles 21
et 23, la tension de repos à la sortie 140 du bloc sensible 14 est
soit voisine de la tension d'alimentation apparaissant au point de
jonction 146, soit voisine de la tension apparaissant à la masse 84
du circuit. Dans le circuit préféré de la fig. 3, la tension de repos
est voisine de la masse 84 du circuit. De ce fait, aucune tension
n'apparaît aux bornes du condensateur 16 et ce dernier n'est pas
chargé. En l'absence de tension aux bornes du condensateur 16,
aucun signal d'entrée n'est appliqué à l'amplificateur 18 et, de ce
fait, l'impédance entre la sortie 204 de l'amplificateur et la
masse 84 du circuit correspond sensiblement à un circuit ouvert.
Dans cet état, l'interrupteur peut être considéré dans la condition
ouverte.
L'état particulier de l'impédance comprise entre la sortie 204
et la masse 84 peut toutefois être amené sur commande à l'une ou
l'autre condition par le choix d'un bloc sensible différentiel 14
dans lequel la condition de repos de la sortie 140 est voisine de la
tension d'alimentation apparaissant à la borne 146. Cette condi
tion de repos se traduit par une polarisation de l'amplificateur 18
et rend le transistor conducteur de manière à assurer ainsi un
court-circuit électrique entre la sortie 204 de l'amplificateur et la
masse 84 du circuit. L'une ou l'autre des conditions normales de
l'interrupteur peut donc être choisie comme condition de repos
pour l'interrupteur de la présente invention.
Cette souplesse d'utilisation des composants de l'interrup
teur 10 de la présente invention permet donc à cet interrupteur
d'exister dans l'une ou l'autre des conditions ouverte ou fermée
indiquée ci-dessus avant l'attouchement de l'utilisateur et à la
condition inverse après l'attouchement de l'opérateur. De plus,
grâce à un verrouillage ou autre contre-réaction appropriée, on
peut faire en sorte que l'interrupteur 10 constitue un interrupteur
verrouillable ou tout autre configuration d'interrupteur analogue
au lieu de l'interrupteur non verrouillable décrit dans le présent
exposé.
En supposant pour l'interrupteur 10 une condition de repos
telle que le transistor 202 de l'amplificateur 18 soit non conduc
teur et présente sensiblement un circuit ouvert entre la sortie 204 de l'amplificateur et la masse 84 du circuit, le fait que l'utilisateur
touche (ou se rapproche de) une des surfaces 12 ou 13 entraîne
l'apparition d'une capacité entre une des entrées doubles 21 et 23
du bloc sensible 14 et la masse 46. Cette capacité supplémentaire
déséquilibre la phase du signal de tension alternative appliquée par l'intermédiaire du point de jonction 60 aux entrées 21 et 23 du
bloc sensible.
D'une façon plus particulière, en supposant que le corps de
l'utilisateur entraîne l'apparition d'une capacité entre la surface de
touche 12 et la masse 46, cette capacité apparaîtrait entre I'entrée 23 du bloc sensible et la masse 46. En supposant la ver
sion avec mise à la masse de l'interrupteur 10 de la présente
invention où la masse 46 communiquant avec la terre est reliée à
la masse 84 du circuit, le signal de tension alternatif appliqué à
l'entrée 23 du bloc 20 est déphasé en arrière par rapport au signal de tension alternatif appliqué à l'entrée 21.
En supposant donc
qu'une différence de phase suffisante est créée, en des points
particuliers dans chaque cycle du signal de tension alternatif
appliqué, la différence entre la tension appliquée à l'entrée 21 et celle appliquée à l'entrée 23 diffère d'une quantité dépassant la tension de seuil du circuit OU exclusif et un signal dé sortie est engendré sous la forme d'une série d'impulsions d'une largeur indiquant le temps pendant lequel la condition de seuil a été dépassée.
Ainsi, par suite du déphasage appliqué dans la présente invention, le train d'impulsions apparaissant à la sortie 140 pendant le temps durant lequel le seuil du bloc sensible 14 a été dépassé charge le condensateur 16 et la charge du condensateur 16 associée à la résistance 183 apparaît comme une source de courant visà-vis de l'amplificateur 18. Ce courant d'entrée rend conducteurs les transistors de l'amplificateur 18 et entraîne un changement d'état dans cet interrupteur 10 de telle sorte que l'impédance entre la sortie 204 de l'amplificateur et la masse 84 du circuit passe d'une condition d'impédance élevée à une condition d'impédance basse, c'est-à-dire d'une valeur élevée à une valeur basse.
On va maintenant expliquer la façon suivant laquelle les valeurs des composants sont choisies pour l'interrupteur 10.
Une considération principale est l'application de signaux de tension alternative sensiblement équilibrée aux entrées différentielles 12, 21 et 23 du bloc sensible 14. Cet équilibre est assuré par la valeur des résistances 62 et 64. Par conséquent les résistances 62 et 64 ont des valeurs qui sont équilibrées afin d'assurer l'application d'un signal de tension alternatif sensiblement équilibré aux entrées 21 et 23 du circuit logique 14.
Cela ne signifie pas que les résistances 62 et 64 doivent être équilibrées avec exactitude car d'autres paramètres de circuit, comme par exemple celui que constitue le circuit d'entrée du bloc sensible différentiel 14, peut en fait permettre un léger déséquilibre. On a constaté que cela était valable pour la série RCA
CD4030 de porte OU exclusif où une des entrées comporte une porte de transfert en série avec la logique. Pour des circuits tels que celui représenté sur la fig. 3, et en supposant que les autres paramètres sont normalement équilibrés, on a constaté qu'en utilisant des résistances avec une tolérance de 10% et des valeurs nominales de résistance équivalentes, on obtenait un bon équilibre dans l'interrupteur 10 de la présente invention avec l'inclusion de la résistance 65 comme décrit ci-après.
L'ordre préféré selon lequel est conçu l'interrupteur consiste alors à choisir d'abord une valeur de résistance 62 et 64 selon la sensibilité recherchée, ainsi qu'il a été décrit ci-dessus. Il est préférable que la sensibilité, pour un interrupteur capacitif, soit la sensibilité la plus faible pouvant être acceptée pour l'application voulue de l'interrupteur en raison des possibilités d'un actionnement intempestif ou inopportun de l'interrupteur.
Si on recherche une sensibilité élevée de telle sorte que l'interrupteur 10 de la présente invention puisse être actionné par une main gantée, par la présence étroitement voisine de l'utilisateur ou d'un autre objet, etc., on choisit la valeur de résistances 62 et 64 de manière qu'elle se rapproche de la valeur de 300 MQ donnée ci-dessus en supposant que les autres paramètres sont tels que mentionné. En supposant qu'une sensibilité plus faible soit nécessaire pour éviter toute possibilité d'un actionnement intempestif de l'interrupteur et un attouchement réel et ferme du doigt de l'utilisateur sur une des surfaces de touche 12 ou 13, une valeur se rapprochant de 5 MQ serait choisie.
La valeur exacte des résistances 62 et 64 dépend de la considération particulière du bloc sensible 14, de la longueur des fils d'entrée 28 et 30, de la valeur de la tension d'alimentation disponible au point de jonction 70, de la valeur du signal alternative disponible au point de jonction 52 et d'autres considérations analogues qui font qu'aucun actionnement de l'interrupteur ne se produit quand celui-ci se trouve dans l'état de repos.
Ensuite, dans l'ordre préféré de la conception, on choisit l'amplitude du signal de tension alternative. On choisit l'amplitude en tenant compte de la tension disponible, à savoir: si la tension de ligne normale de 150 V de crête à crête est disponible, si on peut disposer seulement d'une tension de transformateur de
faible valeur ou si une tension artificielle doit être créée. Le prix et
les possibilités d'obtention d'une telle tension est un facteur défini
dans toute conception, étant donné que l'interrupteur 10 de la
présente invention doit être compatible avec le circuit restant ou
autre dispositif à commuter.
D'une façon générale, compte tenu des conditions pratiques
indiquées ci-dessus, l'amplitude du signal de tension alternative
est choisie comme réglage fin de la sensibilité de l'interrupteur. En
d'autres termes, avec une tension plus élevée, la sensibilité de 1l'interrupteur est plus élevée car une tension plus importante
apparaît aux bornes des résistances 62 et 64. Inversement, avec
une valeur faible du signal de tension alternative arrivant du
bloc 22, la sensibilité de l'interrupteur est plus faible. On remar
quera que le réglage de l'amplitude du signal de tension alterna
tive est en effet d'ordre secondaire vis-à-vis des valeurs des résis
tances 62 et 64 elles-mêmes.
Ensuite, dans une conception originale avec des composants
nouvellement choisis, il est souhaitable de vérifier la stabilité des
circuits, c'est-à-dire si une condition de repos peut vraiment être maintenue ou si des fonctionnements intempestifs de l'interrup
teur peuvent avoir lieu du fait des déséquilibres des résistances 62
et 64, de la longueur des fils d'entrée 28 et 30, des autres déséqui
libres du circuit et des conditions analogues. On a constaté qu'il
existe un léger déséquilibre se traduisant par une série d'impul
sions de largeur relativement faible à la fréquence du signal de
tension alternative, l'impulsion de la résistance 65 entre les points
de jonction 24 et 26 plaçant l'interrupteur 10 de la présente inven
tion dans un état de repos stable.
On considère que la résistance 65 a une double fonction, en ce
sens qu'elle permet un meilleur équilibre du signal de tension
alternative founi à à l'interrupteur et qu'elle sert en outre de
réglage fin pour la sensibilité. On considère que la résistance 65
désensibilise les entrées à un degré qui permet d'obtenir une
condition ou état équilibré sur une large gamme d'amplitudes du
signal de tension alternative et qu'elle permet un plus grand
déséquilibre dans les valeurs de résistance 62 et 64. Comme on
peut le voir alors, si le restant du circuit est totalement équilibré, y
compris les valeurs des résistances 62 et 64, la résistance 65 est
superflue, étant donné que l'amplitude du signal de tension
alternative peut être utilisée pour un réglage fin de la sensibilité.
De plus, la résistance 65 peut aussi être superflue avec le circuit de
la fig. 3 si la tension d'alimentation fournie au bloc sensible 14
entre les bornes 144 et 146 est suffisamment élevée pour assurer à
l'interrupteur 10 un seuil important.
Comme exemple spécifique d'un interrupteur pouvant fonc
tionner dans les gammes mentionnées précédemment en utilisant
le circuit représenté sur les fig. 1 et 3 avec des résistances 62 et 64
d'une valeur de 22 MQ, une résistance 65 d'une valeur de 3,3 MQ
et une amplitude de la tension d'entrée alternative de 150 V de
crête à crête, on obtient un interrupteur très stable qui permet
d'utiliser une longueur de paires torsadées de fils conducteurs 28
et 30 de 30 m et qui exige un attouchement réel des surfaces 12
ou 13 pour être réellement actionnées. On peut aussi utiliser, pour
obtenir un interrupteur stable, une valeur de 1 MQ pour la résis
tance 65.
A une valeur d'environ 10 MQ de la résistance 65, on a
remarqué des ratés sporadiques de l'interrupteur dans certaines
installations.
Il convient de remarquer que l'interrupteur 10 de la présente
invention permet d'utiliser une longueur importante de fils en ce
qui concerne la paire torsadée de fils d'entrée 28 et 30 contraire
ment à de nombreux interrupteurs de ce type connu jusqu'à
présent. Cela permet, par exemple, à un outil tenu à la main de ne
comporter que les surfaces de touche 12 et 13, les parties restantes
de l'interrupteur 10 étant adjacentes au circuit ou au dispositif qui
doit être commandé. La limitation de la longueur permise des fils
est fonction de la sensibilité désirée et, finalement, de l'effet
capacitif de l'utilisateur.
Les techniciens en la matière compren
dront alors que, si les fils 28 et 30 sont effectivement longs, ils présentent une capacité qui dépassera de beaucoup la valeur approximative de 100 pF de la capacité représentée par l'utilisateur au point de masquer l'attouchement effectué par l'utilisateur et d'empêcher l'actionnement de l'interrupteur. D'autres effets analogues ont lieu en raison de la longueur effective des fils 28 et 30, effets qui sont bien connus de l'homme de l'art.
Il peut également être souhaitable d'éliminer une ou plusieurs des connexions entre la masse du circuit et la terre dans le circuit 10 de la présente invention et de laisser flotter l'interrupteur par rapport à la masse. Dans ce cas, le circuit de la présente invention peut rester inchangé, ou bien on peut éliminer le bloc 22 et son signal associé de mode commun si une oscillation est fournie au bloc sensible différentiel 14 par une alimentation flottante 20 ou si on utilise toute autre technique telle que celle décrite dans la demande US N" 340183 du 12 mars 1973.
Toutefois, il est préférable, dans ce cas, d'inclure une connexion fixe entre le point de jonction 60 et un circuit de référence, tel que le point de jonction 70 de l'alimentation 20 que l'on considère maintenant être flottante par rapport à la masse, par exemple par élimination de la connexion entre le point de jonction 76 de l'alimentation 20 et la masse 46. On a constaté que cette connexion fixe 58 entre le circuit d'entrée 15 et le restant du circuit assure un actionnement plus sûr de l'interrupteur bien que, dans le mode flottant, aucune connexion entre le point de jonction 60 et le restant du circuit représenté ne soit nécessaire.
Bien entendu, des compléments (ou des modifications) qui apparaîtront de façon évidente au technicien en la matière peuvent être apportés aux moyens généraux de la présente invention décrits ci-dessus. Par exemple, le circuit OU exclusif 14, représenté de façon spécifique sur la fig. 3, peut être remplacé par un circuit ayant ou non, si on le désire, une fonction d'inversion.
De plus, il est clair que des circuits n'utilisant pas de semiconducteurs MOS mais des transistors ou autres semi-conducteurs ou dispositifs amplificateurs peuvent être utilisés dans l'interrupteur 10 de la présente invention. On préfère utiliser les dispositifs MOS lorsque ceux-ci peuvent être intégrés et, de ce fait, réalisés sous une forme compacte et aussi parce qu'ils offrent un seuil approximativement égal à la moitié de la tension d'alimentation appliquée. En outre, les dispositifs MOS présentent une impédance d'entrée élevée et acceptent des niveaux extrêmement bas de courant qui permettent d'éliminer l'utilisation d'un amplificateur supplémentaire ou d'un amplificateur intermédiaire si d'autres dispositifs sont utilisés pour le circuit OU exclusif 14.
En d'autres termes, une amplification supplémentaire ou des amplificateurs intermédiaires peuvent être nécessaires avant le circuit d'entrée 15 pour détecter le bas niveau de courant, ici d'un attouchement par un utilisateur ou par un objet.
De plus, les résistances représentées par le circuit d'entrée 15 sont, d'une façon générale, destinées à servir d'impédance, comme il est représenté clairement sur la fig. 2, où les résistances ont été remplacées par des condensateurs en même nombre. Toutefois, on préfère des résistances en raison de la facilité avec laquelle on peut les fabriquer sous une forme compacte.
De plus, la sortie de l'interrupteur 10 de la présente invention peut être très facilement codée, en appliquant d'une façon codée bien connue la tension de sortie disponible au point de jonction 176 à plusieurs amplificateurs à entrées multiples tel que l'amplificateur 18. Par conséquent, quand plusieurs interrupteurs 10 de la présente invention sont placés dans une surface donnée, par exemple un clavier, on peut obtenir une sortie codée avec un nombre aussi faible qu'un amplificateur 18 pour chaque paire de surfaces de touche.
Par ailleurs, l'interrupteur 10 de la présente invention fonctionne avec un seul fil d'entrée plutôt que les deux fils d'entrée 28 et 30 représentés. On comprendra que cette connexion peut nécessiter la présence d'un condensateur d'équilibrage à l'entrée déconnectée pour équilibrer ainsi la capacité du fil s'étendant de l'entrée du bloc sensible jusqu'à la surface de touche.
De façon similaire, l'interrupteur 10 de la présente invention pourrait fonctionner en mode inverse dans lequel il est déséquilibré et l'attouchement par l'utilisateur place le dispositif dans un état d'équilibre. Toutefois, on préfère le mode décrit pour une raison de fiabilité beaucoup plus grande.
Par ailleurs encore, la sortie de l'interrupteur 10 de la présente invention peut être prélevée au point de jonction 140 dans certaines circonstances, cela éliminant la nécessité d'utiliser la diode 178, le condensateur 16, la résistance 180 et le circuit restant associé à l'amplificateur 18. Un exemple d'une telle circonstance est le cas où le dispositif devant être commandé fonctionne pendant une période de temps extrêmement faible par rapport à la période de la tension alternative constituant le signal d'entrée de l'interrupteur 10. Un tel dispositif, par exemple, peut être un calculateur qui exige l'excitation d'un circuit bistable dont le temps de basculement est de l'ordre de 1 ns.
Comme il est bien connu, une seule impulsion d'un signal de 60 Hz provenant de l'interrupteur 10 de la présente invention peut effectuer une telle excitation et aucune autre impulsion n'est nécessaire, de sorte que les autres impulsions qui seraient fournies par l'interrupteur 10 de la présente invention du fait de l'attouchement prolongé par l'opérateur ne modifieraient pas l'état du circuit bistable et seraient de ce fait inoffensives pour le fonctionnement du circuit.
The present invention relates to an electronic switch
touch operated.
A touch-actuated electronic switch, operating at the touch of a user and having no moving parts, appears advantageous as a replacement for mechanical switches in virtually all switchboard applications.
breakers.
In addition, an inexpensive, compact, reliable, touch-actuated electronic switch, insensitive to noise signals, can be easily manufactured and operates with necks.
entry rants of a level lower than that dangerous for humans, meets a need.
The present invention aims to meet the needs of this kind.
It relates to an electronic switch actuated by touch, characterized in that it comprises a logic circuit having a first and a second input, intended to receive signals with a view to their comparison, and an output for providing an output signal. which is a function of the difference of the input signals received, at least one key surface electrically connected to one of the inputs of the logic circuit, receiving means for receiving an alternating voltage signal and means for ensuring an electrical connection between these means receivers and the logic circuit to provide a substantially balanced AC voltage signal to the first and second inputs of the logic circuit.
The preferred embodiment of a touch actuated electronic switch according to the present invention comprises two key surfaces interconnected by a twisted pair of conductive wires with the dual logic inputs of a logic circuit.
OR exclusive.
Additionally, in the preferred embodiment, a common mode voltage is supplied from the mains to the dual inputs of the logic circuit. If the logic circuit is of the grounded type, this common mode input voltage can be provided by an electrical interconnection with the mains conductors.
If it is desired to obtain a switch of the floating type, this electrical interconnection can be ensured, for example, by the electrical oscillation of the secondary of a transformer used in the power supply of the switch.
A partial shunt can also be used on this common mode input to increase the noise immunity of the switch and, in the preferred embodiment, this shunt is in the form of a resistor placed between the double inputs of the switch. logic circuit.
The output of the logic circuit is then provided, in the preferred embodiment, with an integrating capacitor and an additional amplifier with sufficient power to meet the power requirements of the electronic switch.
The use of a differential sensitive circuit, in this case the logic circuit, in the switch of the present invention makes it possible to increase the noise immunity of the switch and, therefore, allows the use of long input wiring if desired.
The aforementioned aims and advantages of the present invention will emerge on reading the detailed description given below of an embodiment given by way of illustration and made with reference to the appended drawing in which:
fig. 1 is a block and circuit diagram of a touch operated electronic switch according to the present invention, various parts of the circuit diagram having been surrounded by phantom lines and solid lines to indicate the main functional blocks;
fig. 2 shows an alternative embodiment of part of the circuits of FIG. 1;
fig. 3 shows a preferred embodiment of the circuits which can be used in the switch of FIG. 1.
In fig. 1, the touch-actuated electronic switch according to the present invention is referenced 10 as a whole and comprises, as shown, key surfaces 12 and 13, a differential sensing block 14, an input circuit 15, a means of integration in the form of a capacitor 16, and an additional amplifier unit 18. An electrical power supply supplying electrical energy to the aforementioned parts is also shown, and comprises a part constituting a common mode alternating voltage source referenced 22.
More particularly, the key surfaces 12 and 13 are shown as being connected to the junction points 24 and 26 of the input circuit 15 with the differential sensitive block 14 which, in this preferred embodiment, is a circuit logical exclusive OR. The conductive wire 28 electrically connects the key surface 12 to the junction point 26 through a resistor 32 used to ensure a level of current lower than that which is dangerous to humans, i.e. level between the touch surface 12 and the remaining electronic elements.
Similarly, the conductive wire 30 electrically connects the key surface 13 to the junction point 24 through a resistor 34 and is substantially the same length as the wire 28. The twisted pair of the wires 28 and 30 is used to achieve better noise suppression or noise immunity in conjunction with the differential sensing block 14 when a long input connection is used between the key surfaces 12 and 13 and the sensing block 14.
The junction points 24 and 26 are then connected to the double inputs 21 and 23 of the sensitive block 14 by conductor wires 25 and 27 respectively. At junction points 24 and 26 of the input circuit is also applied a common mode AC voltage signal from blocks 20 and 22.
More specifically, the power supply 20 comprises a transformer referenced 36 as a whole and comprising a primary 38 and a secondary 40. The primary 38 comprises terminals 42 and 44 connected to an alternating current source, the terminal 44 being shown connected to the mass referenced 46.
The block 22 is also connected between the terminals 42 of the transformer 36 and the ground 46 by a conducting wire 48, one end of which is connected to the terminal 42 and the other end of which is connected to a resistor 50 of a voltage divider. . Resistor 50 is itself connected to a junction point 52 which is also connected to an additional voltage divider resistor 54, which is itself connected to ground 46 by a conductive wire 56. Block 22 is then connected. at the junction points 24 and 26 by a conductive wire 58 extending between the junction point 52 located inside the block 22 and another junction point 60 located inside the input circuit 15 and which is itself connected to the junction point 24 by a resistor 62 and to the junction point 26 by a resistor 64.
A means serving as a shunt to the input signal applied to the sensitive block 14 is shown in the form of a resistor 65 connected between the junction points 24 and 26.
Therefore, the input circuit 15 includes the resistors 32, 34, 62, 64 and 65, the junction points 24, 26 and 60 and the conductors 25, 27 and 58.
The remaining parts of the power supply 20 comprise a rectifier diode 66 connected between a first terminal 68 of the secondary 40 and a junction point 70 also connected to one side of a filter capacitor 72. The other side of the capacitor 72 is connected to a junction point 74 which is also connected to another terminal 76 of secondary 40 as well as to ground 46.
The sensitive block 14 is, in the preferred embodiment, a conventional exclusive OR gate formed of complementary logic gates such as for example the exclusive OR circuit
N "MC14507AL or MC14507CL commonly sold by
Motorola Semiconductors and which uses semiconductors
Rich mode P-channel and N-channel MOS. Because this logic cell is of the standard type which can be identified as type 4030, it can also be obtained from other manufacturers. For example, RCA's Solid State Department sells a successfully used Model CD4030 serial logic circuit. However, the licensee has represented and prefers the device manufactured by
Motorola.
The sensitive block 14 then comprises, as can be seen in FIG. 3, MOS devices 85-95 and diodes 110 and 111 connected between inputs 21 and 23 and a logic output 140. A bias terminal 142 for logic circuit 14 is connected to ground 84 of the circuit by a lead wire 144 and a DC voltage from the power supply 20 and present at the junction point 70 is applied to the second bias terminal 146 by means of a lead wire 156, the junction point 158 and the lead wire 160.
The output 140 of the logic circuit 14 is then connected to a junction point 176 by a diode 178 whose anode is connected to the junction point 140 and whose cathode is folded back to the junction point 176. The junction point 176 is in further connected to the ground 84 of the circuit by a circuit comprising in parallel a capacitor 16 and a resistor 180. The junction point 176 is also connected to the input 182 of the amplifier 18 by a resistor 183.
Amplifier 18 comprises a Darlington circuit of NPN transistors 184 and 186, the collectors of which are connected in common to junction point 158 by a current limiting resistor 188. The base of transistor 184 is connected to the input 182 of the amplifier while the emitter of transistor 186 is connected to the base of another NPN transistor 190 and to ground 84 of the circuit by a connection comprising in series a resistor 192, a diode 194, junction point 196, and resistor 198. The collector of transistor 186 is also connected to junction point 158 through another current limiting resistor 200. The junction point 196 is also connected to the emitter of transistor 190 and to the base of another NPN transistor 202 whose collector is connected to the output 204 of amplifier 18 and whose emitter is connected to ground 84 of the circuit.
The load resistor in the switch of the present invention is referenced 206 as a whole and is connected, as shown, between output 204 and junction point 158.
One skilled in the art will understand that load resistor 206 may represent an actual resistor or other electronic load to switch 10 of the present invention. The precise configuration of the electronic switch of the present invention is based on the current requirements of the actual load which is to be turned on or off by means of the switch and which is represented by load resistor 206. is established.
In other words, although the switch still includes a differential sensing block 14 having differential inputs, the precise configuration and number of stages is dictated by the current requirements and the nature of the load. In more detailed terms, since the input current that one wishes to use is below the threshold considered dangerous for humans, that is to say below luA, the configuration and number of stages required to sense and boost this current reliably and to provide the desired output current to load 206 are simply the configuration and number of stages required to obtain whatever output current is desired from the current d. entry available and low level preferred.
Therefore, the configuration of logic circuit 14 can vary drastically, for example by the number of stages or by the addition of intermediate pre-amplification stages and generally depending on the output current requirements. In addition, the exact configuration of amplifier 18 varies depending on the necessary modifications of the switch and it is not possible to require a specific configuration.
Preferred values will now be given for various components of switch 10 of the present invention. The voltage supplied by the power supply 20 has a polarity and a value compatible with the rest of the circuit. In the preferred embodiment shown, the voltage present at junction point 70 is positive with respect to circuit ground 84 and has a value of 15 V. There is no limitation whatsoever to this. polarity or to this value.
In addition, generally, although preferred values for electronic components have been given below, it will be understood by those skilled in the art that no limitation is given to these values unless otherwise noted. The values are given for guidance and advice to persons legally using the present invention.
The value of resistors 32 and 34 is of the order of 1 MΩ and, as indicated, these resistors are intended to protect the user of the key surfaces against any risk of possible electric shock, electrical breakdown of the insulation, etc. Resistors 32 and 34 further protect the circuit of the present invention against damage by potentials developed by a user, eg, static electricity charges. Therefore, the minimum value of these resistors is dictated by these two considerations. The maximum values are dictated by practical manufacturing considerations and by considerations of the amperage likely to flow through these resistors such that these resistors do not adversely limit the input currents.
Resistances 62 and 64 are in the range of 100kΩ to 300MΩ with a preferred value in the region of 2.2MΩ to 300MΩ depending on the desired sensitivity of the switch. With a low resistance value, a weaker differential input signal is obtained for actuating the switch as will be explained in more detail later, resulting in lower sensitivity of the switch. Conversely, a higher value of resistors 62 and 64 allows a higher differential signal to be obtained to actuate the switch, which results in increased sensitivity of the switch.
The sensitivity of the switch must be included in its normal direction of the value of the input signal necessary to obtain an output signal from the switch, this with a low sensitivity switch requiring a higher input signal to obtain a high sensitivity output signal and switch requiring a lower input signal to obtain an output signal. With the switch of the present invention, a high sensitivity would allow actuation of this switch, for example by a gloved hand, or at a slight distance from the key surfaces 12 and 13.
Thus, for the purposes of the applications of the present invention, the term touch is not limited to the actual physical contact of a user's body with the touch surfaces but relates to a sufficient approximation of the user's body to the touching surface. -vis of the key surface, without contact being necessary with this surface, to allow actuation of the switch. As can be seen, the degree of closeness required to actuate the switch is a direct function of the sensitivity of the latter.
The resistors 50 and 54 are used to divide the voltage of an AC signal and their values are generally between 10 kΩ and the region of 1 MΩ depending on the impedance levels, as is well known in the art. technical. Additionally, the block 22 comprising these resistors may be in other forms, while still meeting the common mode signal requirements of the present invention. These other forms may include a transformer providing an output signal at the desired voltage, a voltage tap on the transformer 36 of the power supply 20, a high value series resistor to reduce the voltage and current to the desired values, a oscillator, etc.
Resistance 65, in the preferred embodiment, is on the order of 1 MΩ, as will be discussed more fully below.
The values of the capacitor 16 and of the resistor 180 are chosen so as to have a time constant, i.e. the product of the value of the capacitor by the value of the resistance, which is notably greater than the period of the signal. of alternating voltage applied to the junction point 60 of the input circuit 15. Thus, for a preferred and assumed frequency of 60 Hz, as will be described later, a capacitor 16 with a value of about 4000 pF giving a time constant
Approximate RC of 80 ms has been shown to be adequate. Generally, since the switch of the present invention is designed to be fabricated by integration or thick film techniques, the value of capacitor 16 is chosen low enough to allow this fabrication.
The value of resistor 180 is then chosen to be compatible with the chosen value of capacitor 16 according to the constraints mentioned above.
The frequency of the alternating voltage for which all values have been given is 60 Hz, which is the mains frequency that can be used in most places. Other frequencies higher or lower than 60 Hz may be used, taking into account the frequency limitations applicable to available sources of alternating current, the desire to integrate the switch on a substrate as well as other well known limitations. technicians in the field.
Amplifier 18 is described in detail in previous patent applications by the patentee. Amplifier 18 can also be one of many other conventional amplifiers that can supply the current requirements of the switch, as mentioned herein, including MOS amplifiers or logic intermediate amplifiers.
The desired input AC voltage has a value within a wide range depending on the desired sensitivity as will be explained in more detail later. For the 60 Hz frequency contemplated for the preferred embodiment, voltages between 4 and 150 V peak to peak have been used successfully.
The operation of the switch will now be described.
Basically, the switch 10 of the present invention operates when a user touches surfaces 12 or 13. The capacitance of the user's body, which is about 50 to 100 pF, provides an unbalanced input signal, that is to say differential, to the differential sensitive block 14, this signal modifying the charge of the capacitor 16.
The charge of capacitor 16 then modifies the state of amplifier 18 such that the electrical impedance between terminals 204 and ground 84 of the circuit takes on a first state corresponding to an open electrical circuit of high impedance, that is i.e. the open condition of the switch, or a second state corresponding to an electrical short-circuit of low impedance, i.e. the closed condition of the switch thus approaching the two states d 'a conventional mechanical switch, the condition taken by the impedance present between the terminals 204 and 84 depending on the touching or not of the key surfaces 12 or 13 by the user.
More specifically, the common mode power supply unit 22 supplies a common mode signal in the form of an alternating voltage to the two inputs 21 and 23 of the differential sensitive unit 14 via the input circuit 15. It is a well known characteristic of an exclusive OR logic circuit that an output signal is output from that circuit whenever the input signals applied to the circuit differ by an amount exceeding the voltage threshold of that circuit. circuit. For the MOS circuit shown in fig. 3, the threshold is approximately half of the voltage applied to terminals 142 and 146.
Thus, if no signal is applied to inputs 21 and 23, a logic zero is supplied by sensitive block 14. Likewise, more particularly with regard to the present application, a balanced AC voltage signal applied to inputs 21 and 23 also results in a logic zero output signal. It should be noted that the signal must not only be balanced in amplitude but in phase, a characteristic which is used in the operation according to the present invention. It should also be noted that the exact polarity of the voltage associated with a logical zero or with
a logical one may vary with manufacturers and does not constitute
a specific factor in the present invention since,
whether the exact polarity affects the floor design
successive, it does not modify the intrinsic function of these stages
successive.
Note also that, since we use a
exclusive OR circuit, there is no difference in the signal of
output appearing at output 140 if the voltage applied to
input 21 is greater or less than the voltage applied to
input 23. In either case, the sensitive block 14 provides a
logic of the same polarity at output 140.
Assuming that the sensitive block 14 is in a state of
idle and that the AC voltage signal supplied to the circuit
input 15 is balanced against the differential inputs 21
and 23, the idle voltage at the output 140 of the sensitive block 14 is
either close to the supply voltage appearing at the
junction 146, or close to the voltage appearing at ground 84
of the circuit. In the preferred circuit of FIG. 3, the rest voltage
is close to the mass 84 of the circuit. Therefore, no tension
appears at the terminals of capacitor 16 and the latter is not
charge. In the absence of voltage across capacitor 16,
no input signal is applied to amplifier 18 and, therefore
fact, the impedance between the output 204 of the amplifier and the
ground 84 of the circuit corresponds substantially to an open circuit.
In this state, the switch can be considered in the condition
opened.
The particular state of the impedance between the output 204
and the mass 84 can however be brought on command to one or
the other condition by the choice of a differential sensitive block 14
in which the quiescent condition of the output 140 is close to the
supply voltage appearing at terminal 146. This condi
tion of rest results in a polarization of the amplifier 18
and makes the transistor conductive so as to ensure a
electrical short-circuit between the output 204 of the amplifier and the
ground 84 of the circuit. Either of the normal conditions of
the switch can therefore be chosen as the rest condition
for the switch of the present invention.
This flexibility of use of interrupt components
tor 10 of the present invention therefore allows this switch
to exist in either open or closed condition
indicated above before touching the user and at the
reverse condition after operator touch. Furthermore,
thanks to a locking or other suitable feedback, we
can cause switch 10 to be a switch
lockable or other analog switch configuration
instead of the non-locking switch described in this
exposed.
Assuming for switch 10 a rest condition
such that the transistor 202 of the amplifier 18 is unconduc
tor and has substantially an open circuit between the output 204 of the amplifier and the ground 84 of the circuit, the fact that the user
touches (or approaches) one of the surfaces 12 or 13 causes
the appearance of a capacitor between one of the double entries 21 and 23
of the sensitive block 14 and the mass 46. This additional capacity
unbalances the phase of the AC voltage signal applied through junction point 60 to inputs 21 and 23 of the
sensitive block.
More specifically, assuming that the body of
the user causes the appearance of a capacitance between the surface of
key 12 and ground 46, this capacitance would appear between input 23 of the sensitive block and ground 46. Assuming the worm
connection with grounding of switch 10 of this
invention where the mass 46 communicating with the earth is connected to
ground 84 of the circuit, the alternating voltage signal applied to
input 23 of block 20 is out of phase with respect to the alternating voltage signal applied to input 21.
Assuming therefore
that a sufficient phase difference is created, at points
particular in each cycle of the alternating voltage signal
applied, the difference between the voltage applied to input 21 and that applied to input 23 differs by an amount exceeding the threshold voltage of the exclusive OR circuit and an output signal is generated as a series of 'pulses of a width indicating the time during which the threshold condition has been exceeded.
Thus, as a result of the phase shift applied in the present invention, the pulse train appearing at the output 140 during the time during which the threshold of the sensitive block 14 has been exceeded charges the capacitor 16 and the charge of the capacitor 16 associated with the resistor. 183 appears as a current source with respect to amplifier 18. This input current turns the transistors of amplifier 18 on and causes a change of state in this switch 10 such that the impedance between output 204 of the amplifier and the ground 84 of the circuit goes from a high impedance condition to a low impedance condition, that is to say from a high value to a low value.
We will now explain the way in which the values of the components are chosen for switch 10.
A primary consideration is the application of substantially balanced AC voltage signals to the differential inputs 12, 21, and 23 of the sensitive block 14. This balance is provided by the value of resistors 62 and 64. Therefore, resistors 62 and 64 have values. which are balanced to ensure the application of a substantially balanced AC voltage signal to inputs 21 and 23 of logic circuit 14.
This does not mean that resistors 62 and 64 must be balanced with exactitude because other circuit parameters, such as for example that constituted by the input circuit of the differential sensitive block 14, may in fact allow a slight imbalance. This was found to be valid for the RCA series
Exclusive OR gate CD4030 where one of the inputs has a transfer gate in series with the logic. For circuits such as that shown in fig. 3, and assuming the other parameters are normally balanced, it has been found that using resistors with a 10% tolerance and equivalent resistance ratings, a good balance is obtained in switch 10 of the present invention. with the inclusion of resistor 65 as described below.
The preferred order in which the switch is designed then consists in first choosing a resistance value 62 and 64 according to the desired sensitivity, as has been described above. It is preferable that the sensitivity, for a capacitive switch, be the lowest sensitivity that can be accepted for the desired application of the switch because of the possibilities of inadvertent or untimely actuation of the switch.
If a high sensitivity is desired so that the switch 10 of the present invention can be operated by a gloved hand, by the closely adjacent presence of the user or other object, etc., the value of resistors 62 and 64 so that it approximates the value of 300 MΩ given above assuming the other parameters are as mentioned. Assuming that a lower sensitivity is needed to avoid any possibility of inadvertent actuation of the switch and a real and firm touch of the user's finger on one of the key surfaces 12 or 13, a value approaching 5 MQ would be chosen.
The exact value of resistors 62 and 64 depends on the particular consideration of the sensitive block 14, the length of the input wires 28 and 30, the value of the supply voltage available at the junction point 70, the value of the AC signal available at junction point 52 and other analogous considerations which ensure that no switch actuation occurs when the switch is in the idle state.
Next, in the preferred order of design, the amplitude of the AC voltage signal is chosen. The amplitude is chosen taking into account the available voltage, namely: if the normal line voltage of 150 V peak-to-peak is available, if only a transformer voltage of
low value or if an artificial voltage must be created. The price and
the possibilities of obtaining such tension is a definite factor
in any design, since switch 10 of the
present invention must be compatible with the remaining circuit or
other device to be switched.
In general, taking into account the practical conditions
shown above, the amplitude of the AC voltage signal
is chosen as the fine adjustment of the switch sensitivity. In
in other words, with a higher voltage, the sensitivity of the switch is higher because a higher voltage
appears at the terminals of resistors 62 and 64. Conversely, with
a low value of the AC voltage signal coming from the
block 22, the sensitivity of the switch is lower. We remark
that the adjustment of the amplitude of the alternating voltage signal
tive is indeed of a secondary order with respect to the values of the resist
tances 62 and 64 themselves.
Then in an original design with components
newly chosen, it is desirable to check the stability of the
circuits, i.e. if a quiescent condition can really be maintained or if inadvertent operation of the interrupt
tor can take place due to imbalances in resistances 62
and 64, the length of the input wires 28 and 30, the other unbalanced
free from circuit and similar conditions. It was found that
there is a slight imbalance resulting in a series of impulses
sions of relatively small width at the signal frequency of
alternating voltage, the pulse of resistor 65 between the points
junction 24 and 26 placing the switch 10 of the present invention
tion in a stable state of rest.
Resistor 65 is considered to have a dual function, in that
sense that it allows a better balance of the voltage signal
alternative provided to the switch and that it also serves as
fine adjustment for sensitivity. We consider that the resistance 65
desensitizes inputs to a degree that allows for
condition or state balanced over a wide range of amplitudes of the
AC voltage signal and that it allows a greater
imbalance in the resistance values 62 and 64. As we
can see it then, if the rest of the circuit is fully balanced, y
including the values of resistors 62 and 64, resistor 65 is
unnecessary, since the amplitude of the voltage signal
alternative can be used for fine adjustment of the sensitivity.
In addition, resistor 65 may also be superfluous with the circuit of
fig. 3 if the supply voltage supplied to the sensitive block 14
between terminals 144 and 146 is high enough to ensure
switch 10 a high threshold.
As a specific example of a switch that can operate
operate in the ranges mentioned above using
the circuit shown in FIGS. 1 and 3 with resistors 62 and 64
with a value of 22 MQ, a resistor 65 with a value of 3.3 MQ
and an amplitude of the AC input voltage of 150 V of
peak to peak, we obtain a very stable switch which allows
to use a length of twisted pairs of conductor wires 28
and 30 of 30 m and which requires a real touching of surfaces 12
or 13 to be actually operated. We can also use, for
obtain a stable switch, a value of 1 MQ for the resistance
tance 65.
At a value of about 10 MΩ of resistor 65, we have
noticed sporadic misfiring of the switch in some
facilities.
It should be noted that switch 10 of this
invention makes it possible to use a long length of wires in
which concerns the twisted pair of input wires 28 and 30 contrary
ment to many switches of this type known until
present. This allows, for example, a hand-held tool not to
include only the touch surfaces 12 and 13, the remaining parts
of switch 10 being adjacent to the circuit or device which
must be ordered. Limiting the allowable length of wires
is a function of the desired sensitivity and, ultimately, of the effect
capacitive user.
The technicians in this field understand
Hence, if the wires 28 and 30 are indeed long, they have a capacitance which will greatly exceed the approximate value of 100 pF of the capacitance represented by the user to the point of masking the touch made by the user and d '' prevent the switch from being actuated. Other analogous effects take place due to the effective length of threads 28 and 30, effects which are well known to those skilled in the art.
It may also be desirable to eliminate one or more of the connections between circuit ground and ground in circuit 10 of the present invention and allow the switch to float relative to ground. In this case, the circuit of the present invention can remain unchanged, or the block 22 and its associated common mode signal can be eliminated if an oscillation is supplied to the differential sensitive block 14 by a floating power supply 20 or if any other is used. technique such as that described in US Application No. 340183 of March 12, 1973.
However, it is preferable in this case to include a fixed connection between the junction point 60 and a reference circuit, such as the junction point 70 of the power supply 20 which is now considered to be floating with respect. to ground, for example by eliminating the connection between the junction point 76 of the power supply 20 and the ground 46. It has been observed that this fixed connection 58 between the input circuit 15 and the remainder of the circuit provides actuation safer from the switch although in the floating mode no connection between junction point 60 and the remainder of the circuit shown is necessary.
Of course, additions (or modifications) which will be evident to the technician in the field can be made to the general means of the present invention described above. For example, the exclusive OR circuit 14, shown specifically in FIG. 3, can be replaced by a circuit having or not, if desired, an inversion function.
In addition, it is clear that circuits not using MOS semiconductors but transistors or other semiconductors or amplifying devices can be used in the switch 10 of the present invention. It is preferred to use MOS devices when they can be integrated and therefore made in a compact form and also because they offer a threshold approximately equal to half of the applied supply voltage. Additionally, MOS devices feature high input impedance and accept extremely low levels of current which eliminates the need for an additional amplifier or intermediate amplifier if other devices are used for the circuit. Exclusive OR 14.
In other words, additional amplification or intermediate amplifiers may be necessary before the input circuit 15 to detect the low current level, here from a touch by a user or by an object.
In addition, the resistors represented by the input circuit 15 are, in general, intended to serve as an impedance, as is clearly shown in FIG. 2, where the resistors have been replaced by capacitors in the same number. However, resistors are preferred because of the ease with which they can be manufactured in a compact form.
In addition, the output of switch 10 of the present invention can be very easily coded, by applying in a well known coded fashion the output voltage available at junction point 176 to several multi-input amplifiers such as the amplifier. 18. Therefore, when a plurality of switches 10 of the present invention are placed in a given area, for example a keyboard, one can obtain an output encoded with as few numbers as an amplifier 18 for each pair of key surfaces.
On the other hand, switch 10 of the present invention operates with a single input wire rather than the two input wires 28 and 30 shown. It will be understood that this connection may require the presence of a balancing capacitor at the disconnected input to thereby balance the capacitance of the wire extending from the input of the sensitive block to the key surface.
Similarly, the switch 10 of the present invention could operate in a reverse mode in which it is unbalanced and the touching by the user places the device in a state of equilibrium. However, the mode described is preferred for a reason of much greater reliability.
Still further, the output of switch 10 of the present invention may be taken at junction point 140 under certain circumstances, eliminating the need to use diode 178, capacitor 16, resistor 180 and the associated remaining circuit. to amplifier 18. An example of such a circumstance is the case where the device to be controlled operates for an extremely short period of time compared to the period of the alternating voltage constituting the input signal of switch 10 Such a device, for example, can be a computer which requires the excitation of a bistable circuit whose switching time is of the order of 1 ns.
As is well known, a single pulse of a 60 Hz signal from switch 10 of the present invention can effect such an excitation and no further pulse is required, so other pulses which would be provided by the switch 10 of the present invention due to prolonged touching by the operator would not modify the state of the bistable circuit and would therefore be harmless to the operation of the circuit.