DE2313138A1 - Elektronischer schalter ohne bewegliche teile - Google Patents

Description

EWALD OPPßRMANN PATENTANWALT Z O I J I J

ft5 OFFENBACH (MAIN) · KAISERSTRASSE 9 . TELEFON (Mi*) U531C · KABEL BWOPAT

15. März 1973 39/11

MAGIC DOT, INC.
40 Washington Avenue South Minneapolis, Minnesota, Y. St. A.

Elektronischer Schalter ohne bewegliche Teile

Die Erfindung bezieht sich aut einen elektronischen Schalter ohne bewegliche Teile, welcher bei Berührung aufgrund der Kapazitanz einer Bedienungsperson infolge der Bildung eines Bezugspotentials zwischen Schaltkreiselementen, die von Masse isoliert sind, und der Masse selbst betätigbar ist.

309S3S/113S

In der Vergangenheit ist bereits eine Reihe von Vorschlägen für den Aufbau von Schaltern unterbreitet worden, welche durch die Kapazitanz eines Menscheji betätigt werden, welcher einen Teil der Bauelemente des Schalters berührt oder sich ihnen nähert. Die bekannten Lösungen sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, wie geringe Unterdrückung von Störungen, zu große Empfindlichkeit, hohe Kosten, große Abmessungen, schwierige Herstellung, unzuverlässige Schaltvorgänge nachdem äet Schalter einmal berührt wurde oder die Bedienungsperson sich ihm genähert hat, vorzeitige Betätigung vor einer Berührung oder Annäherung und geringe Zuverlässigkeit bezüglich der allgemeinen Funktionssicherheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für den eingangs beschriebenen elektronischen Schalter anzugeben, der von kleiner Größe und daher leicht in Schaltungen anderer Art unterzubringen ist, der leicht und durch Techniken der Massenproduktion zu niedrigen Preisen herstellbar ist und keine großen Kapazitäten, Induktivitäten oder andere Teile enthält, die eine Massenfertigung ausschließen. Vor allem aber soll der Schalter zuverlässig im Funktionsablauf sein und im Ruhezustand keine Leistung wie andere, bekannte Arten solcher Schalter benötigen.

Die Lösung der gestellten Aufgäbe erfolgt gemäß der Erfindung bei dem eingangs beschriebenen elektronischen Schalter durch eine Reihenschaltung einer Berührungsplätte, eines ersten Verstärkers, eines höchohmigen Widerstarides und eines zweiten Verstärkers, wobei die Reihenschaltung

-S-

30 98 38/119 5

von Masse isoliert und bei Anschluß an eine Wechselspannungsquelle mit der Wechselfrequenz in Schwingungen versetzbar ist. Bei einer solchen Anordnung liefert die Kapazitanz des Fingers einer Bedienungsperson beim Berühren der Berührungsplatte einen Bezugspunkt zwischen der Reihenschaltung und der Masse, wodurch die Reihenschaltung mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle in Schwingungen gerät und eine Schalthandlung der Verstärker herbeigeführt wird. Die angegebene Lösung erfüllt die gestellte Aufgabe in vollem Umfange und unterscheidet sich damit vorteilhaft vom Stande der Technik.

Eine besonders einfache und zuverlässige Lösung ist gekennzeichnet durch eine Leistungsversorgungseinheit für den gleichstromgekoppelten Schaltkreis, bestehend aus einem ersten Energieversorgungsanschluß für die Erzeugung eines von Masse isolierten Bezugspotentials und aus einem zweiten, von Masse isolierten Energieversorgungsanschluß für die Spannungsversorgung, durch Gleichstrom:Netzfrequenz-Verstärker mit Eingängen für ein zu verstärkendes Signal und mit Ausgängen für die Erzeugung eines Schaltzustandes, der im einen Fall einem Kurzschluß und im anderen Fall einem offenen Schaltkreis entspricht, wobei die Verstärker von Masse isoliert sind, durch eine Gleichstromverbindung zwischen der Leistungsversorgungseinheit und den Verstärkern, durch eine solche Verbindung des Schaltskreises mit einer Wechselspannungsquelle, daß der gesamte Schaltkreis in bezug auf die Masse nach Maßgabe der Wechselfrequenz in Schwingungen versetzbar ist, durch eine von Masse isolierte Berührungsplatte und durch eine solche Gleichstromverbindung zwischen den Eingängen der Verstärker und der Berührungsplatte, daß die Kapazitanz der Bedienungsperson ein Bezugspotential an den Verstärkern

309838/1195

erzeugt und die Ausgänge der Verstärker veranlaßt, den Schaltzustand zu ändern.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist gemäß der weiteren Erfindung gekennzeichnet durch einen ersten, von Masse isolierten Verstärker mit einem Eingang, einem Ausgang, einem Anschluß an eine Schaltkreismasse, ausgelegt für die Verstärkung von Netzfrequenzen mit einem Verstärkungsgrad zwischen 10 und der 3. Potenz von 10, durch einen zweiten, von Masse isolierten Verstärker mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Anschluß an eine Schaltkreismasse, ausgelegt für eine Verstärkung von Netzfrequenzen mit einem Verstärkungsgrad zwischen der 7. Potenz von 10 und der 2. Potenz von 10, durch einen Kondensator einer durch Massenproduktion in kleinen Abmessungen herstellbaren Größe, durch einen Anschluß des Kondensators an den Ausgang des einen Verstärkers einerseits und an die Schaltkreismasse andererseits, durch einen Widerstand von etwa 1 Megohm oder darüber und durch eine Verbindung des Widerstandes mit dem Ausgang des ersten Verstärkers und dem Eingang des zweiten Verstärkers. Hiermit ist der zusätzliche Vorteil verbunden, daß durch die hochohmige Auslegung des genannten Widerstandes gewährleistet wird, daß bei einem ausreichenden Verstärkungsgrad in den Verstärkern der genannte Kondensator nicht soweit entladen werden kann, daß eine Welligkeit an der Ausgangsklemme der Reihenanordnung ansteht.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Schaltkreis mit einer solchen Spannung zu beaufschlagen, daß die Schwingungsamplitude eine eindeutige Schalthandlung des Schaltkreises bewirkt. Ein weiterer Vorteil, nämlich die Erhöhung

3098 38/1195

der Störunempfindlichkeit des Schaltkreises wird erreicht durch die Verbindung der Schaltkreismasse und der Masse mittels eines Widerstandes von etwa 1 Megohm oder darüber. Es hat sich gezeigt, daß ein solcher Widerstand ein merkliches Schwingen des Schaltkreises ermöglicht und dabei eine große Störunempfindlichkeit erzeugt.

Schließlich ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil gemäß der weiteren Erfindung durch eine Versorgung des Schaltkreises mit Wechselfrequenz und durch Mittel für die Erzeugung einer (pulsierenden) Gleichspannung für die Spannungsversorgung, sowie durch einen solchen Anschluß der Spannungsversorgung, daß die Verstärker und der gesamte Schaltkreis nach Maßgabe der Wechselfrequenz um 180 Grad gegenüber der Wechselspannungsquelle phasenverschoben in Schwingungen versetzbar sind. Auf diese Weise wird ein zuverlässigeres Schalten durch wirksame Verdoppelung der Signaleingangsamplitude an der Schaltkreiseingangsklemme bewirkt.

Im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform, die einen Kondensator enthält, der einerseits an den Ausgang des ersten Verstärkers und andererseits an die Schaltkreismasse angeschlossen ist, und die außerdem einen hochohmigen Widerstand zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers und dem Eingang des zweiten Verstärkers enthält, sei noch kurz auf die vorteilhafte Wirkungsweise eingegangen. Beim Auflegen des Fingers der Bedienungsperson auf die Berührungsplatte wird das hierdurch entstehenden Eingangssignal im ersten Verstärker verstärkt und gleichgerichtet. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers lädt den Kondensator auf, und die Ladung des Kondensators wird durch den hochohmigen Widerstand dem zweiten Verstärker zugeführt, wo

309838/1195

er deli Ausgang des zweiten Verstärkers in dem Sinne steuert, daß bei einem der beiden Schaltzustände der Schaltkreis einem Kurzschluß und in dem anderen Schaltzustand einem offenen Schaltkreis entspricht.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung und ihrer Wirkungsweise seien nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert*

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Schaltbild elektronischer

Bauteile, wie sie in Verbindung mit dem elektronischen Schalter verwendet werden können,

Fig. 2 eine Berührungsplatte für den elektronischen

Schalter,

Fig. 3 und 4 Alternativlösungen von Leistungsversorgungs-

einheiten, die im Zusammenhang mit dem Schaltkreis gemäß Fig. 1 verwendet werden können und

Fig. 5 ein detaillierteres Schaltbild von Elektronikbauteilen in Verbindung mit einer Leistungsversorgungseinheit mit einem Wechselspannungseingang.

309838/1196

In Fig. 1 ist der elektronische Schaltkreis des Schalters der vorliegenden Erfindung mit 10 bezeichnet. Die elektronische Schaltung enthält einen Verstärker 12 mit einer Bandbreite von Gleichstrom bis zur jeweiligen Netzfrequenz, der im Rahmen dieser Anmeldung kurz mit Gleichstro»:Netzfrequenz-Verstärker bezeichnet ist. Dieser enthält einen Signaleingang 14, einen Signalausgang 16, einen Leistungseingang 18 und einen Bezugsgrößen- oder Masseanschluß 20. Es ist bekannt, Netzfrequenzen von etwa 40 bis 400 Hz zu verwenden. Der Leistungseingang 18 ist mittels einer Leitung 24 mit einem Netzanschluß 22 verbunden, und der Masseanschluß 20 ist mittels einer Leitung 28 an einen Schaltkreismasse- oder Bezugspunkt 26 gelegt.

Die elektronische Schaltung besitzt ferner einen zweiten Gleichstrom:Netzfrequenz-Verstärker 30 mit einem Signaleingang 32, einem Signalausgang 34, einem Leistungseingang 36 und einem Bezugsgrößen- oder Masseanschluß 38. Der Leistungseingang 36 ist mittels einer Leitung 42 mit einem Netzanschluß 40 verbunden, und der Masseanschluß 38 ist mittels einer Leitung 44 an einen Schaltkreismasse- oder Bezugspunkt 26 gelegt.

Der Ausgang 16 des Verstärkers 12 ist mittels einer Leitung 47 an eine Übergangsstelle 46 geschaltet. Die Obergangsstelle 46 ist weiterhin mit dem Eingang 32 des zweiten Verstärkers 30 über eine hohe Impedanz wie über einen Widerstand 48 verbunden. Die Übergangsstelle 46 ist außerdem mit der Schaltkreismasse 26 ,über ein Speicher-, Integrier- oder Glättungselement verbunden, das als Kondensator 50 dargestellt ist.

Der Eingang 14 des Verstärkers 12 des Schaltkreises 10 ist über eine Leitung 54 mit der Schaltkreiseingangskleame 52 verbunden. Hieran ist wiederum eine Berührungsplat-

309838/1195 " ⁸ ~

te 56 mittels eines Leiters 58 angeschlossen (Fig. 2). Die Berührungsplatte 56 besteht aus Metall oder einem anderen leitfähigen Material. Sie kann durch eine räumliche Platte, durch einen Punkt aus leitfähigem Material oder - im Extremfall - durch das Ende eines Drahtes gebildet werden.

Der Signalausgang 34 des Verstärkers 30 ist mittels eines Leiters 60 an eine Ausgangsklemme 59 angeschlossen. Die .elektrische Impedanz bzw. der Widerstand zwischen Ausgangsklemme 59 und Schaltkreismasse 26 ist in einer nachfolgend beschriebenen Weise ausgeführt, so daß in einem Schaltzustand angenähert ein elektrischer Kurzschluß und in einem anderen Schaltzustand ein offener Kreis gebildet wird, wobei der Schaltzustand davon abhängt, ob der Finger der Bedienungsperson die Berührungsplatte 56 berührt oder nicht.

Eine LeistungsVersorgungseinheit für den Schaltkreis 10 ist mit 61 bezeichnet. Die Leistungsversorgungseinheit gemäß Fig. 1 enthält einen Transformator 62 mit einer Primärwicklung 64, Diese besitzt Primärwicklungsanschlüsse 66 und 68, welche an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind. Der Anschluß 68 ist als mit Masse 70 verbunden dargestellt. Der Transformator 62 besitzt ferner eine Sekundärwicklung 72 mit Sekundärwicklungsanschlüssen 74 und 76.

Der Transformator 62 ist in der Weise ausgeführt, daß die Sekundärwicklung 72 von der Primärwicklung 64 und damit gegenüber der Masse isoliert ist. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet "Masse" die maximal mögliche Bezugsgröße, d. h. die "Erde" und sollte im Rahmen der vorliegenden Er-

- 9 309838/1 195

findung von dem Atisdruck "Schaltkreismasse¹¹ unterschieden werden, welche eine Bezugsgröße innerhalb des Schaltkreises 10 darstellt. Die hier gemeinte "Schaltkreismasse" ist als von der Masse 70 isoliert anzusehen oder, im Zusammenhang mit weiteren Ausführungsformen der Erfindung, als in definierter Weise mit der Masse 70 verbunden anzusehen.

Der Sekundärwicklungsänschluß 76 ist an die Schaltkreismasse 26 angeschlossen, wohingegen der Sekundärwicklungsanschluß 74 über eine Diode 78 an einen Energieversorgungsanschluß 80 gelegt ist. Der andere Energieversorgungsanschluß 82 ist an die Schaltkreismasse 26 gelegt und damit mit dem Sekundärwicklungsanschluß 76 verbunden. Ein Kondensatorfilter 84 ist auf übliche Weise zwischen die Energieversorgungsanschlüsse 80 und 82 gelegt.

Der Energieversorgungsanschluß 80 ist außerdem mit dem Schaltkreis 10 verbunden und insbesondere mittels einer Leitung 86 an den Netzanschluß 22 des ersten Verstärkers 12 gelegt. Der Energieversorgungsanschluß 80 ist darüber hinaus mittels einer Leitung 88 an den zweiten Verstärker 30 angeschlossen und mit der Leitung 86 an der Übergangsstelle 90 verbunden.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Leistungsversorgungseinheit 61, bestehend aus einem Verstärkungswiderstand 102, welcher zwischen den Energieversorgungsanschluß 80 und einen weiteren Anschluß 104 gelegt ist, welcher wiederum an eine Wechselstromversorgungsquelle angeschlossen ist, die zwischen dem Anschluß 104 und einem weiteren Anschluß 106 liegt. Der Anschluß

- 10 309838/1195

ist außerdem mit der Masse 70 verbunden. Wesentlicher Bestandteil der in Fig. 3 gezeigten Leistungsversorgungseinheit ist ein Akkumulator 108, der mit den Energieversorgungsanschlüssen 80 und 82 verbunden ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere, alternative Ausführungsform der Leistungsversorgungseinheit'61, die an die Stelle der Leistungsversorgungseinheit 61 gemäß Fig. 1 treten kann. In Fig. 4 ist ein Widerstand 120 zwischen den Wechselstromanschluß 104 und eine Übergangsstelle 122 gelegt, und ein Widerstand 124 ist zwischen dem Wechselstromanschluß 106 und einer Obergangsstelle 126 angeordnet.Gegeneinander geschaltete Zener-Dioden 128 und 130 sind zwischen den ObergangssteIlen 122 und 126 angeordnet. Eine Diode 131 befindet sich zwischen der Übergangsstelle 122 und dem Energieversorgungsanschluß 80,'wohingegen die Übergangsstelle 126 an den Energieversorgungsanschluß 82 gelegt ist. Ein konventioneller Kondensatorfilter 134 ist auch in diesem Falle zwischen die Energieversorgungsanschltisse 80 und 82 gelegt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, jedoch unter Hinzufügung der von gestrichelten Linien umgebenen Elektronikelemente, welche Verstärker 12 und 30 und eine Energieversorgungseinheit 61 darstellen.

Es ist hervorzuheben, daß die Leistungsversorgungseinheit 61 des gleichstromversorgten Schaltkreises 10 gemäß Fig. einen Verstärkungswiderstand 150 enthält, der zwischen den Primärwicklungsanschluß 66 und den Sekundärwicklungsanschluß 74 aus Gründen angeordnet ist, die nachfolgend noch » näher erläutert werden sollen. Außerdem ist eine Impedanz

- 11 -

309838/1195

in Form eines Widerstandes 152 zwischen dem Energieversorgungsanschluß 82 und der Masse 70 angeordnet, und zwar ebenfalls aus Gründen, die nachfolgend noch erläutert werden sollen.

Der Verstärker 12 enthält einen PNP-Transistor 154, dessen Emitter mit dem Leistungseingang 18 des Verstärkers 12 verbunden ist, dessen Kollektor an den Signalausgang 16 des Verstärkers 12 angeschlossen ist, und dessen Basis mit dem Signaleingang 14 des Verstärkers 12 verbunden ist. Ein Widerstand 156 ist außerdem zwischen den Leistungseingang 18 und den Signaleingang 14 gelegt, um den Leclcstrom des Transistors 124 in dem Sinne zu benutzen, daß der Transistor 154 im Normalfalle im Schaltzustand "AUS" gehalten wird. Ein Kondensator 158 ist zum Widerstand 156 parallel geschaltet und dient dadurch zur Verbesserung der Störunempfindlichkeit des elektronischen Schalters, daß er einen elektrischen Beipaß für hochfrequente Ausgleichsspannungen darstellt, die an der Schaltkreiseingangsklemme 52 des elektronischen Schaltkreises 10 erscheinen. Dies bedeutet, die Auslegung des Kondensator 158 in Verbindung mit dem Eingangswiderstand des Transistors 154 hat zur Folge, hochfrequente Signale zur Leistungsversorgungseinheit 61 zu überbrücken oder kurzzuschließen, und von dort zur Schaltkreismasse 26 abzuleiten, anstatt diese Signale mittels des Verstärkers 12 zu verstärken. Infolgedessen kann wegen der Verwendung von Netzfrequenz beim Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Störunempfindlichkeit erreicht werden als bei bekannten Schaltern, die mit höheren Frequenzen betrieben werden.

In Fig. 5 ist gezeigt, daß die Leitung 54 einen hochohmigen Widerstand 160 besitzt, der dazu dient, die Bedienungsperson beim Berühren der Berührungsplatte 56 vor der Wechsel-

- 12 309838/ 1 195

Spannung des Schaltkreises 10 zu schützen und außerdem, · den Eingang des Verstärkers 12 vor Schäden zu schützen, welche von übermäßigen Strömen verursacht werden könnten, welche durch die Berührungsplatte 56 beispielsweise aufgrund einer direkten Verbindung zu einer Hochspannungsquelle oder durch statische Elektrizität seitens der Bedienungsperson übertragen werden können.

Der Verstärker 30 besitzt eine Darlington-Schaltung von NPN-Transistoren 162 und 164, deren gemeinsame Kollektoren mit dem Leistüngseingang 36 des Verstärkers 30 über einen Strombegrenzungswiderstand 166 verbunden sind. Die Basis des Transistors 162 ist mit dem Signaleingang 32 des Verstärkers 30 verbunden, wohingegen der Emitter des Transistors 164 mit der Basis eines weiteren NPN-Transistors 168 und mit dem Masseanschluß 38 des Verstärkers 30 durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 170, einer Diode 172, einer Übergangsstelle 174 und eines Widerstandes 176 verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 168 ist außerdem mit dem Leistungseingang 36 über einen weiteren Strombegrenzungswiderstand 180 verbunden.

Die Übergangsstelle 174 ist außerdem mit der Basis des Transistors 178 verbunden, dessen Kollektor mit dem Signalaus-' gang 34 und dessen Emitter mit dem Masseanschluß 38 verbunden sind.

Die Reihenschaltung von Widerstand 170, Diode 172 und Widerstand 176 sorgt für eine Vorspannung für sämtliche Transistoren des Verstärkers 30. Insbesondere wirkt die Reihenanordnung als Emitter-Widerstand der Darlington-Anordnung 162 und 164.

- 13 309838/1195

Außerdem unterstützt die Diode 172 die anfängliche Leitung oder das "Einschalten" des Transistors 168 in der Weise, daß sie das Potential am Emitter des Transistors 164 in bezug auf den Emitter des Transistors 168 im Hinblick auf einen sehr kleinen Strom durch den Emitter des Transistors 164 anhebt, so daß schon ein geringer Emitterstrom des Transistors 164 den Transistor 168 zur Leitung veranlaßt. Der Widerstand 170 gleicht kleinere Abweichungen zwischen der Diode 172 und der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 168 aus. Der Widerstand 176 erzeugt zusätzlich zu seiner Wirkung als Teil des Emitter-Widerstandes für den Transistor 164 eine Vorspannung für den Transistor 178 und ermöglicht es einem Leckstrom durch den Transistor 178, diesen in "AUS-Stellung" oder in nichtleitendem Zustand zu halten.

Das Wirkungsprinzip des elektrischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung ist folgendes: der elektrische Schaltkreis 10 ist beispielsweise mittels des Transformators 62 an eine Wechselstromquelle gelegt, welche den gesamten Schaltkreis veranlaßt, im Hinblick auf die Masse nach Maßgabe der Leistungsaufnahme zu schwingen. Die Kapazitanz des Fingers einer Bedienungsperson liefert beim Berühren der Berührungsplatte 56 einen Bezugspunkt zwischen dem Schaltkreis 10 und der Masse, welcher am Schaltkreis 10 erscheint, der wiederum gegenüber der Masse isoliert ist als Wechselfrequenz mit einer Amplitude, die derjenigen Amplitude gleich ist, mit welcher der Schaltkreis 10 in bezug auf die Masse schwingt. Mit anderen Worten, der Schaltkreis 10 wird durch seine eigene Schwingung im Hinblick auf die Masse moduliert. Mit diesem, eine Berührung der Berührungsplatte 56 durch den Finger

- 14 309838/1195

einer Bedienungsperson anzeigenden Signal erzeugt der Schaltkreis 10 einen Schaltvorgang, der einen Übergang vom offenen zum geschlossenen Schaltkreis darstellen kann, oder - falls gewünscht - einen Übergang von einem geschlossenen Schaltkreis zu einem offenen. Dies bedeutet, der Ausgang des Schaltkreises 10 hat die Wirkung eines elektrischen Schalters.

Im Hinblick auf Fig. 1 ist hervorzuheben, daß die Leistungsversorgungseinheit 61 durch den Transformator 62 von der Masse 70 isoliert ist. Es konnte daher festgestellt werden, daß der Transformator 62 im Hinblick auf die Masse 70 schwingt. Es ist hervorzuheben, daß dieser Vorgang im Normalfall ein schädlicher Effekt ist, den es zu vermeiden gilt, und daß daher das Entstehen der vorliegenden Erfindung als Überwindung von Vorurteilen anzusehen ist, weil Überlegungen entgegen den Lehren des Standes der Technik anzustellen waren.

Infolge des normalerweise schädlichen Effekts des Schwingens von Transformator 62 und den übrigen Teilen der Leistungsversorgungseinheit 61 in bezug auf die Masse 70 schwingt auch die Schaltkreisntasse 26 in bezug auf die Masse 70, was ebenfalls im Normalfall ein schädlicher Effekt wäre. Wegen der Schwingung der Schaltkreismasse in bezug auf die Masse 70 gegenüber dem Bezugssystem der Schaltkreiseingangsklemme 52 und der Masse 70 steht eine Wechselspannung zwischen der Masse 70 und der Schaltkreiseingangsklemme 52 an. Es wurde dabei festgestellt, daß die Berührung der Berührungsplatte 56 durch den Finger einer Bedienungsperson eine kapazitive Kopplung zwischen der Berührungsplatte 56 und damit der Schaltkreiseingangs-

- 15 -

309838/1195

klemme 52 und der Masse 70 erzeugt, aufgrund welcher das Schwingungssignal an der Schaltkreiseingangskleiaiie,52 erscheint.

Unter der extremen Annahme, daß die Kapazitanz eines Menschen 10 Picofarad oder weniger beträgt, hat der kapazitive Widerstand aufgrund einer Berührung durch die Bedienungsperson bei einer Frequenz von 60 Hz eine Größe von etwa 266 Megohm. Unter der weiteren Annahme, daß der Schaltkreis 10 im Hinblick auf die Masse 70 mit einer Spannung von etwa 10 Volt schwingt, ergibt sich ein Stromeingang in den Verstärker 12 gemäß Fig. 1 in der Größenordnung von 20 Nanoampere. Eine Verstärkung von Strömen in dieser Größenordnung steht ebenfalls den Überlegungen des Durchschnittsfachmannes entgegen, der glaubt, daß Ströme in dieser Größenordnung in den Bereich der Störströme gehören und infolgedessen unterhalb des Grenzwertes von Strömen liegen, die wirksam verstärkt werden können.

Der außerordentlich kleine Eingangsstrom von 20 Nanoampöre wird durch den Verstärker 12 verstärkt und gleichgerichtet, der mit einem Verstärkungsgrad von mindestens 10 ausgelegt ist, und dient dazu, den Kondensator 50 aufzuladen, welcher an den Ausgang des Verstärkers 12 angeschlossen ist.

Der Kondensator 50 steht stellvertretend für verschiedene Speichervorrichtungen, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung möglich sind, und weist eine Größe auf, die eine einfache Herstellung bei kleiner Größe in großen Stückzahlen erlaubt. D. h. beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. hat der Kondensator 50 eine Kapazität in der Größenordnung von 1000 Picofarad, so daß er ohne Schwierigkeiten durch Integrations- oder Dickfilmtechniken in Massen und in einer Größe von wenigen Quadratmillimetern hergestellt werden kann.

309 8 38/1195 - 16 -

Wenn der Kondensator 50 geladen ist, kommt er einer Stromquelle für den hochgradigen Verstärker 30 über den Weg hoher Impedanz in Form des hochohmigen Widerstandes 48 nahe. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Schalters gemaß Fig. 1 beträgt die Auslegung des Widerstandes 48 größenordnungsmäßig 10 Megohm und der Verstärkungsgrad des Verstärkers 30 liegt in der Größenordnung von 10 bis zur 6. Potenz oder 10 bis zur 7. Potenz. Der Widerstand 48 kann auch ein Spannungsregelungswiderstand sein, wie beispielsweise ein Feldeffekt-Transistor, oder er kann in die Eingängsimpedanz des Verstärkers 30 integriert sein in der Art einer Feldeffekt-Transistor-Vorstufe.

Die hochohmige Auslegung des Widerstandes 48 soll gewährleisten, daß, gemeinsam mit einem ausreichenden Verstärkungsgrad in den Verstärkern 12 und 30, der Kondensator 50 nicht soweit entladen werden kann, daß eine Welligkeit an der Ausgangsklemme 59 ansteht. D-. h. mit den weiter oben gegebenen Auslegungsdaten wird durch das Auflegen des Fingers der Bedienungsperson auf die Berührungsplatte 56 eine schnelle Aufladung des Kondensators 50 erreicht mit dem Erfolg, daß der Zustand des Verstärkers 30 geändert wird. Falls der Verstärkungsgrad des Verstärkers 12 nicht ausreichend ist, um den Kondensator 50 in geladenem Zustand zu halten, oder falls der Wert des Widerstandes 48 im Hinblick auf die Netzfrequenz nicht genügend groß ist, oder falls der Verstärkungsgrad des Verstärkers 30 nicht ausreichend ist, kann der Impedanzausgang an der Ausgangsklemme 59 von der gewünschten Stellung "OFFEN" oder "GESCHLOSSEN" zu einer Zwischenstellung abweichen, die nicht zulässig ist. Es sei angenommen, der Finger einer Bedienungsperson, die die Berührungsplatte 56 berührt, erzeugt eine Ausgangsimpedanz an der Ausgangsklemme 59, die einem Kurzschluß entspricht.

- 17 30 98 38/1195

In diesem Falle ist der Transistor 178 in Fig. 5 gesättigt. Ungenügende Verstärkung in den Verstärkern 12 oder 30 oder ungenügende Impedanz des Widerstandes 48 würden es ermöglichen, daß die Impedanz zwischen Ausgangsklemme 59 und Schaltkreismasse 26 von nahezu Null Ohm ansteigt, d. h. daß der Transistor 178 in einem leitenden aber ungesättigten Zustand ist und eine Impedanz darstellt, die beachtet werden muß.

Nachdem die grundsätzliche Wirkungsweise des elektroni-r sehen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert worden ist, kann die Auswahl der verschiedenen Parameter für eine zuverlässige Wirkungsweise gewürdigt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der erste ausgewählte Parameter der Wert des Speichers 50, in diesem Falle des Kondensators. Wie oben festgestellt wurde, wird der Wert der Kapazität aufgrund von Gegebenheiten bei der Massenherstellung bestimmt. Weiterhin wird die Betriebsspannung, d. h, die Spannung zwischen den Energieversorgungsanschlüssen 80 und 82 bestimmt. Weiterhin werden die Anforderungen an den Ausgangsstrom des Schalters festgelegt. D. h. daß der über die Ausgangsklemme 59 fließende Strom, der durch den elektronischen Schalter geschaltet werden soll, innerhalb bestimmter Grenzen bekannt sein sollte.

Weiterhin kann der Verstärkungsgrad des Verstärkers 30 durch Multiplikation des Ausgangsstromes mit der Schwingungsdauer der Wechselfrequenz und durch Division durch das Produkt der Betriebs- bzw. Speisespannung und dem Wert des Kondensators 50 berechnet werden. Hierfür gilt folgende Beziehung:

I T

Verstärkungsgrad (Verstärker 30) ■ ε C

- 18 -309838/1195

Ein Verstärkungsgrad zwischen 10 und der 7. Potenz und zwischen 10 und der 2. Potenz hat sich bei einem T von 20 Millisekunden, bei einem I von 150 Milliampere, von E von 5 Volt und C₅₀ von 1000 Picofarad ergeben.

Weiterhin kann der Wert des Widerstandes 48 durch Division der Schwingungsdauer der Wechselfrequenz durch den Wert des Kondensators 50 berechnet werden. Unter der Voraussetzung, daß der Verstärker 12 einen ausreichenden Verstärkungsgrad aufweist, wird ein solcher Auslegungswert die vollständige Entladung des Kondensators 50 verhindern.

Weiterhin ist der Verstärkungsgrad des Verstärkers 12 in einer solchen Weise festzulegen, daß sichergestellt ist, daß ein Eingang von 20 Nanoampe*re den Kondensator 50 innerhalb einer Periode der Wechselfrequenz auflädt, so daß ein schnelles Einschalten des Schalters ermöglicht wird. Der für den Verstärker 12 benötigte Ausgangsstrom ist näherungsweise gleich dem Produkt aus der Speisespannung und dem Wert des Kondensators 50 geteilt durch die Schwingungsdauer der Wechselfrequenz. Die mathematische Beziehung lautet:

^{E C}50 I₀ (Verstärker 12) =

Ein Verstärkungsgrad zwischen 10 und 100 wurde bei einer Spannung E von 5 Volt, bei einer Kapazität von C™ von 1000 Picofarad und bei einer Schwingungsdauer T von 20 Millisekunden benutzt.

- 19 -

30 98 3 8/1195

Es wurde festgestellt, daß im Falle einer Verringerung des Verstärkungsgrades des Verstärkers 12 und einer Erhöhung des Verstärkungsgrades des Verstärkers 30 in entsprechendem Maße der Schaltkreis ebenfalls zufriedenstellend arbeitet. Ebenso hat sich das umgekehrte Verhältnis als brauchbar erwiesen. Es wurde festgestellt, daß ein Verstärkungsgrad des Verstärkers 12 zwischen 10 u.10 und der 3. Potenz einem Verstärkungsgrad des Verstärkers 30 zwischen 10 und der 7. Potenz und zwischen 10 und der 2. Potenz entspricht.

Nachfolgend soll eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. Die Phasenlage der Wechselspannungsversorgung muß im Hinblick auf den Schwingungsvorgang der Schaltkreismasse 26 unter folgenden Bedingungen berücksichtigt werden. Es sei angenommen, daß in der Bedienungsperson von der Wechselspannungsversorgungsquelle eine Spannung induziert wird. Falls die induzierte Spannung in der Amplitude der Schwingungsamplitude der Schaltkreismasse 26 etwa gleich ist, wird kein Signal zwischen der Schaltkreiseingangsklemme 52 und der Masse 70 induziert. D. h. die Bedienungsperson schwingt gleichzeitig mit dem Schaltkreis 10, so daß eine Modulation des Schaltkreises 10 nicht auftritt. Dieser Mangel kann jedoch auch in einen Vorteil umgewandelt werden, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Es ist dabei be~ merkenswert, daß der Transformator 62 in der Weise angeordnet ist, daß die an den Sekundärwicklungsanschlüssen 74 und 76 anstehende Wechselfrequenz um 180 Grad gegenüber der Wechselfrequenz zwischen den Primärwicklungsanschlüssen 66 und 68 phasenverschoben ist. Dies ist durch die Darstellung der Punkte in Verbindung mit dem Transformator 62 angedeutet. Aufgrund dieser Technik können die Schwingungen der Schaltkreismasse 26 in be-

309838/1195 "²⁰"

zug auf die Masse 70 von solcher Art sein, daß sie den gesamten Schaltkreis 10 veranlassen, in bezug auf die Masse 70 nach Maßgabe der Wechselfrequenz in der entgegengesetzten Phase zu derjenigen der Wechselspannungsversorgungsquelie zu schwingen, so daß auf diese Weise ein zuverlässigeres Schalten durch wirksame Verdoppelung der Signaleingangsamplitude an der Schaltkreiseingangsklemme 52 bewirkt wird. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß die gleiche Spannung in der Bedienungsperson induziert wird.

Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung soll nunmehr im Hinblick auf Fig. 3 erläutert werden. Es fällt auf, daß der Widerstand 102, der durch jede Art von ImPe* danz dargestellt werden kann, zwischen dem Anschluß 104 und dem Energieversorgungsanschluß 80 angeschlossen ist. Der Widerstand 102 kann in der Größenordnung von 1 Megohm oder größer ausgelegt sein, so daß er im wesentlichen die Isolation des Schaltkreises 10 aufrechterhält und doch eine ausreichende Verbindung erzeugt, um den Schaltkreis 10 dazu zu veranlassen, entsprechend dem vollen Spannungseingang zu schwingen, anstatt nur mit einem Teil des Spannungseingangs, wie dies bei einem Schaltkreis gemäß Fig. 1 der Fall wäre. Diese Verstärkungstechnik gestattet es, die in der Bedienungsperson induzierte Spannung merklich zu erhöhen und kann es weiterhin erlauben, die in der Bedienungsperson induzierte Spannung vollständig zu vernachlässigen.

Die Impedanz des Widerstandes 102 kann jedoch nicht so groß sein, daß sie die Impedanz der Bedienungsperson zwischen der Berührungsplatte 56 und der Masse 70 merklich

. - 21 -309838/1195

übersteigt, oder daß sie keinen ausreichenden Eingangsstrom in den Schaltkreis 10 liefert. Die Verstärkungsimpedanz des Widerstandes 102 kann ebenso ziemlich klein im Wert sein, falls der Schaltkreis 10 gegenüber einer Bedienungsperson ausreichende Sicherheit besitzt, um eine direkte Verbindung mit dem Leistungseingang zu vermeiden. D. h. der Widerstand 102 kann eine direkte Verbindung ohne jede Impedanz sein, wenn eine gefährliche Verbindung zwischen dem Anschluß 104 und der Berührungsplatte 56 vermieden werden kann, so daß die Bedienungsperson elektrisch geschützt ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Leistungsversorgung, die für eine Verstärkung ohne den Einsatz eines Transformators wie in Fig. 1 eingesetzt werden kann. Die Leistungsversorgung gemäß Fig. 4 ist im wesentlichen eine herkömmliche Leistungsversorgung mit Ausnahme des zusätzlichen Widerstandes 124. Während es normalerweise wünschenswert ist, daß die Schaltkreismasse 26 unmittelbar mit der Masse 70 verbunden, ist, wird der Widerstand 124 bewußt elektrisch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung dazwischengeschaltet, d. h. es soll eher die Schwingung der Schaltkreismasse 26 gegenüber der Masse 70 begünstigt als verhindert werden. Bei Anwendung von Widerständen 120 und 124 gleicher Größe ergibt sich, daß die Leistungsversorgungseinheit 61 etwa mit der Hälfte des Spitzenwertes der Wechselfrequenz Versorgungsspannung an den Anschlüssen 104 und 106 schwingt. Durch Veränderung der Verhältnisse der Widerstände 120 und 124 kann dieser Wert zwischen einem sehr niedrigen Verhältnis und einem sehr hohen Verhältnis zur Eingangsspannungsamplitude eingestellt werden. Es folgt daraus, daß die

- 22 309838/1195

Amplitude der Schwingung des Schaltkreises 10 eindeutig eingestellt werden kann.

Aus Fig. 5 kann entnommen werden, daß der Widerstand ähnlichen Zwecken dient wie der Widerstand 102 gemäß Fig. 3.

Fig. 5 enthält eine weitere Feinheit bezüglich der Zunahme der Störunempfindlichkeit des Schalters. In diesem Fall ist eine große Impedanz in Form eines Widerstandes 152 mit einem Wert von etwa einem Megohm oder darüber zwischen der Schaltkreismasse 26 und der Masse 70 angeordnet. Es wurde festgestellt, daß eine solche Impedanz ein merkliches Schwingen des Schaltkreises 10 ermöglicht und doch eine zunehmende Störunempfindlichkeit schafft. Eine weitere Störunempfindlichkeit wird in bereits erläuterter Weise durch den Kondensator 158 geschaffen.

Es ist weiterhin festgestellt worden, daß bei Anordnung einer zum Kondensator 50 parallel geschalteten Zener-Diode zwischen der Übergangsstelle 46 und der Schaltkreismasse 26 die Speisespannung verändert werden kann, ohne daß die Parameter des Schaltkreises 10 verändert werden. Außerdem kann der Wert der Speisespannung ohne Änderung dieser Parameter geändert werden, wenn herkömmliche Spannungsteiler-Widerstände in Reihe mit der Leistungsversorgungseinheit 61 verwendet werden.

Auf die angegebene Weise wird ein durch Berührung betätigter elektronischer S'chalter geschaffen, welcher leicht den Bedingungen anderer Massenproduktionsverfahren angepasst werden kann, weil er keine großen Kondensatoren, Induk-

- 23 -

30 98 38/1195

tionsspulen oder andere Teile enthält, die eine solche Massenproduktion verbieten. Außerdem benötigt der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung im Ruhezustand keine Leistung wie andere Arten von durch Berührung betätigten Schalter.

- Ansprüche - 24 -

309838/ 1195

Claims (3)

1. - 24 Ansprüche:

   Elektronischer Schalter ohne bewegliche Teile, welcher bei Berührung aufgrund der Kapazitanz einer Bedienungsperson infolge der Bildung eines Bezugspotentials zwischen Schaltkreiselementen, die von Masse isoliert sind, und der Masse selbst betätigbar ist, gekennzeich- · net durch eine Reihenschaltung einer Berührungsplatte (56), eines ersten Verstärkers (/12), eines hochohmigen Widerstandes (48) und eines zweiten Verstärkers (30), wobei die Reihenschaltung von Masse (70) isoliert und bei Anschluß an eine Wechselspannungsquelle mit der Wechselfrequenz in Schwingungen versetzbar ist. *■
2. 2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Leistungsversorgungseinheit (61) für den gleichstromgekoppelten Schaltkreis (10), bestehend aus einem ersten Energieversorgungsanschluß (82) für die Erzeugung eines von Masse (70) isolierten Bezugspotentials (26) und aus einem zweiten, von Masse (70) isolierten Energieversorgungsanschluß (80) für die Spannungsversorgung, durch GMchstromiNetzfrequenz-Verstärker (12, 30) mit Eingängen (14, 32) für ein zu verstärkendes Signal und mit Ausgängen (16, 34) für die Erzeugung eines Schaltzustandes, der im einen Fall einem Kurzschluß und im anderen Fall einem offenen Schaltkreis entspricht, wobei die Verstärker (12, 30) von Masse isoliert sind* durch eine Gleichstrom-Verbindung zwischen der Leistungsversorgungseinheit (61) und den Verstärkern (12, 30); durch eine solche Verbindung des Schaltkreises (10) mit einer Wechsel-

   - 25 -

   3 0 9 8 3 8/1195

   Spannungsquelle, daß der gesamte Schaltkreis (10) in bezug auf die Masse (70) nach Maßgabe der Wechselfrequenz in Schwingungen versetzbar ist, durch eine von Masse isolierte Berührungsplatte (56) und durch eine solche Gleichstromverbindung zwischen den Eingängen (14, 32) der Verstärker (12, 30) und der Berührungsplatte (56), daß die Kapazitanz der Bedienungsperson ein Bezugspotential an den Verstärkern erzeugt und die Ausgänge der Verstärker (12, 30) veranlaßt, den Schaltzustand zu ändern.
3. 3. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen ersten, von Masse isolierten Verstärker (12) mit einem Eingang (14), einem Ausgang (16), einem Anschluß an eine Schaltkreismasse (26), ausgelegt für die Verstärkung von Netzfrequenzen mit einem Verstärkungsgrad zwischen 10 und der 3. Potenz von 10, durch einen zweiten, von Masse isolierten Verstärker (30) mit einem Eingang (32), einem Ausgang (34) und einem Anschluß an eine Schaltkreismasse (26), ausgelegt für die Verstärkung von Netzfrequenzen mit einem Verstärkungsgrad zwischen der 7. Potenz von 10 und der 2. Potenz von 10; durch einen Kondensator (50) einer durch Massenproduktion in kleinen Abmessungen herstellbaren Größe; durch einen Anschluß des Kondensators (5o) an den Ausgang des einen Verstärkers (12) einerseits und an die Schaltkreismasse (26) andererseits; durch einen Widerstand (48) von etwa 1 Megohm oder darüber und durch eine Verbindung des Widerstandes (48) mit dem Ausgang (16) des ersten Verstärkers (12) und dem Eingang (32) des zweiten Verstärkers (30),

   ■26-

   3098 3 8/1195

   4. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Beaufschlagung des Schaltkreises (10) mit einer solchen Spannung, daß die Schwingungs-

   amplitude eine eindeutige Schalthandlung des Schaltkreises bewirkt.

   5. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verbindung der Schaltkreismasse (26) und der Masse (70) mittels eines Widerstandes (152) von etwa 1 Megohm oder darüber.

   6. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Versorgung mit Wechselfrequenz und durch Mittel für die Erzeugung einer Gleichspannung für die Spannungsversorgung und durch einen solchen Anschluß der Spannungsversorgung, daß die Verstärker (12, 30) und der gesamte Schaltkreis (10) nach Maßgabe der Wechselfrequenz um 180 Grad gegenüber der Wechselspannungsquelle phasenverschoben in Schwingungen versetzbar sind.

   3 0 9 8 3 8/1195

   Leerseite