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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen
kapazitiven Berührungssensor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuerungsverfahren
für einen
kapazitiven Berührungssensor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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In
vielen elektrischen Geräten,
insbesondere auch in Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen,
Waschmaschinen und dergleichen, werden immer häufiger Berührungsschalter eingesetzt,
die durch ein einfaches Berühren
durch einen Benutzer einen bestimmten Schaltvorgang auslösen. Im
Fall eines kapazitiven Berührungssensors
bzw. -schalters weist die Sensorschaltung zum Beispiel ein Kondensator-Flächenelement
auf, das zusammen mit dem Benutzer eine Kapazität bildet, die entsprechend
dem Betätigen
des kapazitiven Sensorelements, d.h. dem Berühren oder Nicht-Berühren des
Kondensator-Flächenelements
variabel ist. Die Veränderung
der Kapazität des
kapazitiven Sensorelements durch eine Berührung durch den Benutzer wirkt
sich entsprechend auf ein Ausgangssignal der Sensorschaltung aus,
was von einer angeschlossenen Auswerteschaltung entsprechend als
eine Betätigung
des kapazitiven Berührungssensors
ausgewertet wird.
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Eine
derartige Schaltungsanordnung für
einen kapazitiven Berührungssensor
ist zum Beispiel aus den Dokumenten
DE 32 45 803 A1 ,
DE 103 03 480 A1 oder
EP 0 859 468 B1 bekannt,
die sich insbesondere mit den Sensorschaltungen solcher kapazitiver
Berührungssensoren
befassen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
und ein Steuerungsverfahren für
einen kapazitiven Berührungssensor
zu entwickeln, welche die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit
des kapazitiven Berührungssensors verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. ein Steuerungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die
Schaltungsanordnung für
einen kapazitiven Berührungssensor
enthält
eine Sensorschaltung mit einem kapazitiven Sensorelement als Teil
eines RC-Spannungsteilers; einen Frequenzgenerator zum Erzeugen
eines Frequenzsignals, das an den RC-Spannungsteiler der Sensorschaltung
angelegt wird; und eine Auswerteschaltung, der ein Ausgangssignal
(Out) der Sensorschaltung (KSS) zugeführt wird und die bestimmt,
ob das kapazitive Sensorelement betätigt wird oder nicht. Die Auswerteschaltung weist
gemäß der Erfindung
eine Filtereinrichtung auf, die eine Drift eines Arbeitspunktes
der Sensorschaltung ohne Betätigung
des kapazitiven Sensorelements herausfiltert.
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Durch
das Herausfiltern der Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung
ohne Betätigung
des kapazitiven Sensorelements wird gewährleistet, dass das Ausgangssignal
der Sensorschaltung unabhängig
von einem solchen Drift korrekt ausgewertet werden kann. Hierdurch
erhöhen
sich die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des kapazitiven Berührungssensors
gegenüber
solchen System, die die Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung
nicht herausfiltern, deutlich.
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Die
Erfindung geht dabei von den folgenden Überlegungen aus. Die Ausgangsspannung
der Sensorschaltung hängt
von der Größe der Kapazität des kapazitiven
Sensorelements ab. Liegt keine Betätigung des kapazitiven Berührungssensors,
d.h. keine Berührung
des kapazitiven Sensorelements vor, so ist keine Kapazität des kapazitiven
Sensorelements vorhanden, was eine höhere Ausgangsspannung der Sensorschaltung
bewirkt. Bei einer realen Schaltungsanordnung enthält die Sensorschaltung
jedoch weitere, zum Teil parasitäre
Kapazitäten,
welche die Gesamtkapazität
des RC-Spannungsteilers erhöhen, sodass
sich die Differenz der Ausgangsspannung der Sensorschaltung zwischen
den beiden Zuständen „Sensor
betätigt" und „Sensor
nicht betätigt" entsprechend reduziert.
Hinzu kommen verschiedene, sich nur sehr langsam verändernde
Umgebungseinflüsse, wie
beispielsweise Temperaturänderungen,
Feuchtigkeitsänderungen
und Alterungsprozesse der Bauelemente, die sich ebenfalls auf die
Gesamtkapazität des
RC-Spannungsteilers und auch auf andere elektrische Größen der
Sensorschaltung auswirken. Durch diese Einflüsse entsteht eine Drift des Arbeitspunktes
der Sensorschaltung, d.h. des Wertes der Ausgangsspannung ohne Betätigung des
Berührungssensors,
die nicht verhindert werden kann. Da sich eine solche Drift des
Arbeitspunktes der Sensorschaltung nur sehr langsam ändert, d.h.
wesentlich langsamer als das von dem Frequenzgenerator erzeugte
Frequenzsignal und auch wesentlicher langsamer als eine Veränderung
des Ausgangssignals aufgrund einer Zustandsänderung des Berührungssensors,
lässt sich
diese Drift herausfiltern, sodass sie nicht in die Auswertung einfließt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteschaltung einen
Vergleicher auf, der das Ausgangssignal der Sensorschaltung nach
dem Herausfiltern der Drift des Arbeitspunktes mit einem Schwellenwert
vergleicht, der ein relativer Schwellenwert bezogen auf den Arbeitspunkt
der Sensorschaltung ohne Betätigung
des kapazitiven Sensorelements ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Filtereinrichtung der Auswerteschaltung
ein erstes Tiefpassfilter mit einer derart niedrigen Grenzfrequenz,
dass es den Arbeitspunkt der Sensorschaltung ohne Betätigung des
kapazitiven Sensorelements erfasst, und eine Subtraktionsschaltung
zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Sensorschaltung
und dem Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters auf.
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Ferner
kann die Auswerteschaltung der Filtereinrichtung vorgeschaltet ein
zweites Tiefpassfilter zum Herausfiltern hochfrequenter Störanteile
aus dem Ausgangssignal der Sensorschaltung aufweisen.
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Vorzugsweise
ist die Auswerteschaltung in Form einer Software in einer Steuervorrichtung
realisiert.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender
Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Grundaufbaus einer Schaltungsanordnung
für einen kapazitiven
Berührungssensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung
der Schaltungsanordnung von 1;
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3 ein
Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sensorschaltung
der Schaltungsanordnung von 1; und
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4 ein
vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Auswerteschaltung
der Schaltungsanordnung von 1, bevorzugt
als Softwarelösung
realisiert.
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1 zeigt
zunächst
den Grundaufbau einer Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Berührungssensor,
der in elektrischen Geräten,
insbesondere in elektrischen Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern,
Mikrowellenöfen,
Spülmaschinen, Waschmaschinen
und dergleichen, einsetzbar ist.
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Der
kapazitive Berührungssensor
umfasst eine (kapazitive) Sensorschaltung KSS, die ein kapazitives
Sensorelement (später
beschrieben) enthält, einen
Frequenzgenerator FG, der mittels einer Spannungsquelle V1 (siehe 2)
ein Frequenzsignal erzeugt, das an die Sensorschaltung KSS angelegt wird,
und eine Auswerteschaltung AS, der das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung
KSS zugeführt wird.
Das kapazitive Sensorelement weist zum Beispiel ein Kondensator-Flächenelement
auf, das zusammen mit dem Benutzer eine Kapazität bildet, die entsprechend
dem Betätigen
des kapazitiven Sensorelements, d.h. dem Berühren oder Nicht-Berühren des
Kondensator-Flächenelements
variabel ist. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine
besondere Art oder eine besondere Anordnung des kapazitiven Sensorelements
beschränkt.
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Anhand
der Blockschaltbilder der 1 und 2 werden
nachfolgend zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer möglichen
Sensorschaltung KSS des kapazitiven Berührungssensors von 1 erläutert. Der
Fachmann wird die vorliegende Erfindung aber problemlos auch auf
weitere Ausführungsformen
von kapazitiven Sensorschaltungen übertragen können.
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Der
Frequenzgenerator FG erzeugt in beiden Fällen mittels einer Spannungsquelle
V1 ein Rechtecksignal. Dieses Rechtecksignal hat zum Beispiel eine
Frequenz von etwa 1 MHz, ein Tastverhältnis von 50% und Spannungspegel
von 0 V (L) und 5 V (H), ohne dass die vorliegende Erfindung auf
dieses spezielle Rechtecksignal beschränkt wäre.
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Weiter
ist das kapazitive Sensorelement Ct in beiden Fällen Teil eines RC-Spannungsteilers,
der durch dieses kapazitive Sensorelement Ct und einen Widerstand
R1 gebildet wird. Das kapazitive Sensorelement Ct bildet dabei die
Kapazität,
die in Abhängigkeit
von der Betätigung
des Berührungssensors auf
den Knotenpunkt K1 eingebracht wird. Wird der kapazitive Berührungssensor
nicht betätigt,
d.h. das kapazitive Sensorelement nicht berührt, so ist die Kapazität nicht
vorhanden (Ct=0).
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Die
Spannung am Knotenpunkt K1, die von der jeweiligen Größe der Kapazität Ct abhängig ist, wird
mittels einer Diode D1 gleichgerichtet und mittels eines Kondensators
C1 geglättet. Über dem
Kondensator C1, d.h. am Knotenpunkt K2 ergibt sich somit eine Gleichspannung
Out, deren Höhe
von dem Kapazitätswert
Ct abhängig
ist. Ist die Kapazität
Ct nicht vorhanden, so ergibt sich eine höhere Ausgangsspannung Out,
wird der kapazitive Berührungssensor
betätigt,
so ergibt sich eine niedrigere Ausgangsspannung Out. Die Ausgangsspannung Out
wird, wie oben erwähnt,
der Auswerteschaltung AS zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Liegt
keine Berührung
des kapazitiven Sensorelements vor, d.h. Ct=0, müsste sich im Idealfall eine
Ausgangsspannung Out ergeben, die der um die Flussspannung der Diode
D1 reduzierten Pulsspannung des Frequenzsignals entspricht. Dies
ist jedoch nicht der Fall, da beim realen Aufbau der Sensorschaltung
KSS durch die parasitäre
Kapazität
Cp1 der Diode D1 am Knotenpunkt K1 parallel zur Kapazität Ct auch
die Reihenschaltung aus den Kapazitäten Cp1+C1 anliegt. Die Gesamtkapazität am Knotenpunkt
K1, die beim realen Aufbau der Sensorschaltung für den RC-Spannungsteiler maßgebend ist, wird somit durch
die Parallelschaltung der Kapazität Ct und der Reihenschaltung
der Kapazitäten Cp1
und C1 gebildet. Das Vorhandensein dieser realen Gesamtkapazität wirkt
sich in etwas reduzierten Pegeln der Ausgangsspannung Out und einem
etwas reduzierten Spannungshub zwischen den Zuständen „Berührungssensor betätigt" und „Berührungssensor
nicht betätigt" aus.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten
Schaltungsanordnung dadurch, dass die Sensorschaltung KSS anstelle
der Einweggleichrichtung mit Glättung eine
Verdopplerschaltung enthält,
die aus den Kondensatoren C1, C2 und den Dioden D1, D2 gebildet ist.
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Aufgrund
der parasitären
Diodenkapazitäten Cp1
und Cp2 sowie den Diodenflussspannungen der Dioden D1 und D2 wird
jedoch beim realen Aufbau der Schaltung am Knotenpunkt K2 keine
Signalverdopplung, sondern nur eine Signalvergrößerung erreicht. Die Gesamtkapazität des RC-Spannungsteilers
am Knotenpunkt K1 der Sensorschaltung KSS wird in diesem Fall durch
die Parallelschaltung der Kapazität Ct einerseits und der Reihenschaltung
der Kapazität
C2 mit der Parallelschaltung der Kapazität Cp2 und der Reihenschaltung
der Kapazitäten
Cp1 und C1 andererseits gebildet.
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Bezug
nehmend auf das Schaltungsdiagramm von 4 wird nachfolgend
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Auswerteschaltung AS der Schaltungsanordnung des kapazitiven
Berührungssensors
von 1 erläutert.
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Die
Auswerteschaltung AS enthält
eine Filtereinrichtung, bestehend aus einem ersten Tiefpassfilter
TP1 und einer Subtraktionsschaltung S, ein zweites Tiefpassfilter
TP2 sowie einen Vergleicher V. Das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung
KSS wird zunächst
dem zweiten Tiefpassfilter TP2 zugeführt. Die Grenzfrequenz des
zweiten Tiefpassfilters TP2 ist dabei so gewählt, dass das Ausgangssignal
des Tiefpassfilters TP2 dem Eingangssignal, d.h. dem Ausgangssignal
Out der Sensorschaltung, schnell folgt und dass hochfrequente Störungen aus
der Ausgangsspannung Out der Sensorschaltung KSS herausgefiltert
werden. Die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters TP2 entspricht
zum Beispiel einer Periode im Zehntelsekundenbereich. Die Periode
sollte bevorzugt etwa 60 ms nicht unterschreiten, um eine Betätigung des
kapazitiven Berührungssensors
noch sicher erkennen zu können.
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Das
Ausgangssignal des zweiten Tiefpassfilters Tp2 wird einerseits einem
positiven Eingangsanschluss der Subtraktionsschaltung S zugeführt und andererseits
einem Eingang des ersten Tiefpassfilters Tp1 zugeführt. Die
Grenzfrequenz dieses ersten Tiefpassfilters Tp1 ist wesentlich tiefer
gewählt
als die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpassfilters Tp2; sie entspricht
zum Beispiel einer Periodendauer von einigen Sekunden oder sogar
Minuten. Die Aufgabe des ersten Tiefpassfilters Tp1 ist es, der Drift
des Arbeitspunktes der Sensorschaltung KSS, d.h. des Wertes der
Ausgangsspannung Out ohne Betätigung des
Berührungssensors
zu folgen.
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Das
Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters Tp1 wird einem negativen
Eingangsanschluss der Subtraktionsschaltung S zugeführt. Die
Subtraktionsschaltung S berechnet somit die Differenz zwischen dem
Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS und der Drift des Arbeitspunktes
der Sensorschaltung KSS. Das Ausgangssignal dieser Subtraktionsschaltung
S wird dem Vergleicher V zugeführt, der
den obigen Differenzwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert SW
vergleicht, um zu bestimmen, ob der kapazitive Berührungssensor
betätigt
wird oder nicht.
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Durch
die oben beschriebene Filtereinrichtung aus Tp1 und S wird eine
Drift des Arbeitspunktes der Sensorschaltung KSS, die sich bei einem
realen Aufbau der Sensorschaltung aufgrund von Temperaturänderungen,
Feuchtigkeitsschwankungen, Alterungsprozessen der Bauelemente und
dergleichen nicht vermeiden lässt.
Aus dem Ausgangssignal Out der Sensorschaltung KSS herausgefiltert
und geht somit nicht in die Auswertung mit ein. An dem Vergleicher
V der Auswerteschaltung AS wird daher kein absoluter Schwellenwert,
sondern ein relativer Schwellenwert, der sich auf den Arbeitspunkt
der Sensorschaltung bezieht, verwendet.
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Das
zweite Tiefpassfilter Tp2 ist für
die erfindungsgemäße Funktionsweise
der Auswerteschaltung AS nicht zwingend erforderlich und kann daher bei
Bedarf auch weggelassen werden.
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Die
oben beschriebenen Elemente der Auswerteschaltung AS werden vorteilhafterweise
durch eine Softwarelösung
in einer Steuerschaltung wie beispielsweise einem Mikrocontroller
realisiert. Hierzu wird das Ausgangssignal Out der Sensorschaltung
KSS vor der Auswertung zunächst
an einen A/D-Umsetzer der Steuerschaltung geführt.