DE2619924A1

DE2619924A1 - Elektronischer beruehrungsschalter mit hochspannungsschutz

Info

Publication number: DE2619924A1
Application number: DE19762619924
Authority: DE
Inventors: Willis August Larson
Original assignee: Magic Dot Inc
Current assignee: Magic Dot Inc
Priority date: 1975-05-09
Filing date: 1976-05-05
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2310663A1; CA1053774A; US3992634A; FR2310663B1; GB1539545A

Description

Elektronischer Berührungsschalter mit Hochspannungsschutz

Die Erfindung bezieht sich auf Schalter, speziell elektronische Schalter, und betrifft insbesondere einen elektronischen, durch Berührung betätigbaren bzw, Tast- oder Berührungsschalter, sowie den Schutz von elektronischen Berührungsschaltern vor statischer oder anderer Hochspannungselektrizität.

Ein elektronischer Berührungsschalter, der auf eine leichte Berührung durch eine ihn betätigende Person hin anspricht und ohne bewegliche Teile arbeitet, wird als Ersatz für mechanische Schalter in praktisch allen Anwendungsfällen als vorteilhaft angesehen.

Wünschenswert ist dabei ein elektronischer Berührungsschalter, der billig und mit kleinen Abmessungen hergestellt werden kann, der zuverlässig im Betrieb ist, der eine hohe Störunterdrückung bzw. -unernpfindlichkeit gewährleistet und der mit Eingangs strömen unter einem für Menschen gefährlichen Wert arbeitet.

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Wenn zudem ein solcher Schalter elektronische Bauteile verwendet, die durch statische oder andere Hochspannungselektrizität beschädigt oder zerstört werden könnten, ist auch ein Schutz vor solchem Schaden wünschenswert.

Mit der Erfindung wird ein Schalter geschaffen, der diese und andere Vorteile gewährleistet.

In bevorzugter Ausführungsform weist der elektronische Tastoder Berührungsschalter gemäß der Erfindung zwei Tast- oder Berührungsflächen auf, die über ein verdralltes Leitungspaar mit den logischen Doppeleingängen eines exklusiven logischen ODER-Glieds verbunden sind.

In bevorzugter Ausführungsform sind auch zwei mit Mittelanzapfung versehene Kondensatoren vorgesehen, die über die Doppeleingänge geschaltet sind und den erfindungsgemäßen Schutz vor statischer oder anderweitiger Hochspannung gewährleisten. Die Kittelanzapfungen der Kondensatoren sind dabei an Masse gelegt oder zusammengeschaltet.

In bevorzugter Ausführungsform wird außerdem eine Gleich.pha.senbsw. Gleichtaktspannung (common mode voltage) über übliche Viechselspannungsleitungen an die Doppeleingänge der logischen Schaltung geliefert. Wenn die logische.Schaltung, wie bei der bevorzugten Ausführungsform, an Masse liegt, kann dieser Gleichtakteingang durch eine elektrische Verbindung mit den Singangsstromleitungen gebildet werden, ΐ/enn ein erdfreier Schalter gewünscht wird, kann diese elektrische Verbindung beispielsweise durch die elektrische Schwingung der Sekundärwicklung eines in der Stromversorgung für den Schalter vorgesehenen Transformators gewährleistet werden.

Ein Teilnebenschluß (partial shunt) dieses Gleichtakteingangs kann bei der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls zur Erhöhung

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der Störunempfindlichkeit benutzt werden, und zwar in Form eines Widerstands, der über die Doppeleingänge der logischen Schaltung geschaltet ist.

In bevorzugter Ausführungsform ist dabei ein Ausgang der logischen Schaltung zu einem Integrierkondensator und zu einem zusätzlichen Verstärker geführt, der eine für die Erfüllung der Erfordernisse des elektronischen Schalters ausreichende Leistung besitzt.

Die Verwendung einer Differentialmeßschaltung, in diesem Fall einer logischen Schaltung, beim erfindungsgemäßen Schalter ermöglicht eine verbesserte Störunempfindlichkeit oder -unterdrückung, so daß die Verwendung langer Eingangsleitungen möglich wird, wo dies gewünscht wird.

Die Anwendung der Eingangsimpedanzen, d.h. im vorliegenden Fall der Kondensatoren mit Mittelanzapfung, beim erfindungsgemäßen Schalter ermöglicht also einen Schutz des Schalters vor Beschädigung durch statische und andere Hochspannungselektrizität.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektrischen Tast- oder Berührungsschalter zu schaffen, der einfach, kostensparend und mit geringen Abmessungen herstellbar ist, der im Betrieb zuverlässig ist und der einen hohen Grad von Störunterdrückung oder -unempfindlichkeit gewährleistet.

Bei diesem Schalter soll die Ansprechempfindlichkeit ohne wesentliche Beeinträchtigung der Schalteigenschaften regelbar sein.

Bei diesem Schalter sollen außerdem die Berührungsflächen vom restlichen Aufbau des Schalters entfernt angeordnet werden können.

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Dabei soll dieser Schalter auch eine stärkere Unterdrückung von nicht mit der Schalterbetätigung in Beziehung stehenden Umgebungssignalen gewährleisten.

Weiterhin soll dieser Schalter in der Lage sein, mit Eingangsströmen zu arbeiten, die unterhalb eines für Menschen gefährlichen Pegels liegen.

Schließlich soll dieser Schalter vor den schädlichen Auswirkungen von statischer oder anderer Hochspannungselektrizität geschützt sein, die von der den Schalter benutzenden oder bedienenden Person geführt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Schalter der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Fühler- oder Meßeinrichtung mit Signaleingang und Signalausgang zur Lieferung eines auf ein eingegebenes Eingangssignal bezogenen Ausgangssignals, durch eine Berührungs- oder Tastfläche, durch eine Widerstandseinrichtung mit zwei Enden, durch eine Kapazitätseinrichtung mit zwei Enden, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Tastfläche und dem ersten Ende der Widerstandseinrichtung, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Ende der Widerstandseinrichtung und dem ersten Ende der Kapazitätseinrichtung, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zx^eiten Ende der Kapazitätseinrichtung und Masse, durch Mittel zur elektrischen Verbindung des zweiten Endes der Widerstandseinrichtung mit dem Signalausgang der Fühlereinrichtung, durch Mittel zum Empfang einer Wechselspannung und durch Mittel zur elektrischen Verbindung der Empfangseinrichtung mit der Fühlereinrichtung.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektronischen Berührungsschalters gemäß der Erfindung, wobei verschiedene Abschnitte des Schalters zur Veranschaulichung der Hauptfunktionsblöcke in gestrichelten und

ausgezogenen Kästchen eingeschlossen dargestellt sind, und

Fig, 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltung zur Verwendung beim Schalter gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnete elektronische Tastoder Berührungsschalter gemäß der Erfindung weist Tastflächen 12 und 13, einen Differential-Fühler- oder -Meßblock 14, eine ■ Eingangsschaltung 15* eine Integriereinrichtung in Form eines Kondensators 16 und einen zusätzlichen Verstärkerblock 18 auf. Als Spannungsversorgung für die genannten Teile dient eine Quelle 22 für Gleichtakt-Wechselspannungssignale (common mode alternating voltage signal).

Die Tastflächen 12 und 13 sind an Verzweigungen 17 bzw. 19 der Eingangsschaltung 15 zum Differentialfühler 14 angeschlossen, der in bevorzugter Ausführungsform ein logisches ODER-Glied bildet. Zwischen die Tastfläche 12 und die Verzweigung 17 ist eine Leitung 28 eingeschaltet. Auf ähnliche Weise ist eine Leitung 30, die praktisch die gleiche Länge besitzt wie die Leitung 28, zwischen die Tastfläche 13 und die Verzweigung 19 eingeschaltet. Ein verdralltes Leitungspaar dient zur Gewährleistung einer besseren Störsignalunterdrückung bzw. -unempfindlichkeit in Verbindung mit dem Differentialfühler 14, wenn eine lange Eingangsverbindung zwischen den Tastflächen 12, 13 und dem Fühler 14 vorhanden ist«.

Weiterhin sind zwei Kondensatoren 29 und ~$\ über die Verzweigungen 17 und 19 geschaltet. Die Kondensatoren 29 und 31 sind in Mittelanzapfungs-Anordnung an einem Verzweigungspunkt 33 zusammengeschaltet, der seinerseits an Masse liegt*

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Die Verzweigung 19 ist weiter mit einer Verzweigung 24 über einen Widerstand j54 verbunden, der vorgesehen ist,· um zwischen der Tastfläche 12 und der restlichen elektronischen Schaltung einen Spannungspegel zu gewährleisten, welcher unter dem für Menschen gefährlichen Wert liegt. Auf ähnliche Weise ist die Verzweigung 17 über einen Widerstand 32 mit einer Verzweigung 2β verbunden.

Die Verzweigungen 24 und 2.6 sind zudem über Leitungen 25 bzw. 27 mit den beiden oder Doppel eingängen 21, 2j5 des Fühlers 14 verbunden. An die Verzweigungen 24 und 26 der Eingangsschaltung ist darüber hinaus ein Gleichtakt-Wechselspannungssignal von den Blöcken 20 und 22 angelegt.

Die Stromversorgung weist, genauer gesagt, einen Transformator 36 mit einer Primärwicklung 38 und einer Sekundärwicklung 40 auf, von denen erstere mit Klemmen 42 und 44 versehen ist, die an eine Wechselfrequenz-Stromversorgung angeschlossen sind, wobei die Klemme 44 an der mit 46 bezeichneten Erdungsmasse liegt.

Der Block 22 ist über eine Leitung 48 zwischen die Klemme 42 des Transformators 36 und Masse 46 geschaltet, wobei das eine Ende dieser Leitung an die Klemme 42 und das andere Ende an einen Spannungswiderstand 50 angeschlossen ist. Der Widerstand 50 liegt seinerseits an einer Verzweigung 52, die ebenfalls mit einem zusätzlichen Spannungsteilerwiderstand 54 verbunden ist, der wiederum über eine Leitung 56 an Masse 46 angeschlossen ist. Der Block 22 ist zudem über eine Leitung 58 mit den Verzweigungen 24 und 26 verbunden, wobei sich diese Leitung zwischen der Verzweigung 52 im Block 22 und einer weiteren Verzweigung 60 in der Eingangsschaltung 15 erstreckt, welche ihrerseits über einen Widerstand 62 mit der Verzweigung 24 und über einen Widerstand 64 mit der Verzweigung 26 verbunden ist.

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Als Mittel zur Herstellung eines Eingangssignalnebenschlusses (input signal shunt) zum Fühler 14 ist ein Widerstand 65 vorgesehen, der über die Verzweigungen 24 und 26 geschaltet ist.

Die Eingangsschaltung 15 weist somit Widerstände 32, 34, 62, und 65, Verzweigungen 17* 19.» 24, 26, 33 und 60, Kondensatoren 29 und 31 sowie Leitungen 25, 27 und 58 auf.

Die restlichen Teile der Stromversorgung 20 umfassen eine Gleichrichterdiode 66, die zwischen eine erste Klemme 68 der Transformator-Sekundärwicklung 40 und eine Verzweigung 70 geschaltet ist, die ihrerseits mit der einen Seite eines Filterkondensators 72 verbunden ist. Die andere Seite des Kondensators 72 liegt an einer Verzweigung 74, die wiederum mit der anderen Klemme 76* der Sekundärwicklung 40 und Masse 46 verbunden ist.

In bevorzugter Ausführungsform stellt der Fühler 14 ein herkömmliches exklusives ODER-Glied aus komplementären logischen Gattern dar, z.B. in Form der von der Firma Motorola Semiconductors unter der Bezeichnung MC145O7AL oder MC145O7CL vertriebenen exklusiven ODER-Schaltung mit Anreicherungstyp-MOS-Halbleitern vom p-Kanal- und n-Kanal-Typ. Da diese logische Zelle von üblicher Bauart ist, kann auch eine solche vom Typ 4030 verwendet werden, die auch von anderen Herstellern erhalten werden kann. Beispielsweise liefert die Solid State Division der Firma RCA unter der Bauartnummer CD4030 einen logischen Schaltkreis, der zufriedenstellend verwendet wurde. Dargestellt ist jedoch die bevorzugte Einheit der Firma Motorola.

Gemäß .Fig. 2 weist der Fühler 14 MOS-Elemente 85 - 95 sowie Dioden 110 und 111, die zwischen Eingänge 21 und 23 geschaltet sind, und einen logischen Ausgang 14O auf; Eine Vorspannklemme 142 für den logischen Schaltkreis 14 ist mittels einer Leitung

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144 an Schaltkreismasse 84 geschaltet, und eine zweite Vorspannklemme 146 ist über eine Leitung 156* eine Verzweigung 158 und eine Leitung ΐβθ an eine von der Stromversorgung 20 gelieferte* an der Verzweigung 70 verfügbare Gleichspannung angeschlossen.

Der Ausgang 14O des logischen Schaltkreises 14 ist mit einer Verzweigung 176 über eine Diode 178 verbunden, deren Anode mit der Verzweigung 14O und deren Kathode mit der Verzweigung verbünden ist. Die Verzweigung 176 ist weiterhin über eine Parallelschaltung aus dem Kondensator 16 und einem Widerstand 180, die eine Integriereinrichtung bildet, mit Schaltungsmasse 84 verbunden. Die Verzweigung 176 ist zudem über einen Widerstand 183 mit dem Eingang 182 des Verstärkers 18 verbunden.

Der Verstärker 18 weist eine Darlington-Anordnung von npn-Transistoren 184 und 186 auf, deren zusammengeschaltete Kollektoren über einen strombegrenzenden Widerstand 188 an die Verzweigung 158 angeschlossen sind. Die Basis des Transistors 184 ist mit dem Verstärkereingang 182 verbunden, während der Emitter des Transistors 186 mit der Basis eines weiteren npn-Transistors 190 und mit Masse/verbunden ist, und zwar über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand I92, einer Diode 194, einer Verzweigung 196 und einem Widerstand I98. Der Kollektor des Transistors 190 ist über einen weiteren .strombegrenzenden Widerstand 200 ebenfalls an die Verzweigung 158 angeschlossen. Die Verzweigung 196 ist außerdem mit dem Emitter des Transistors und der Basis eines weiteren npn-Transistors 202 verbunden, dessen Kollektor an den Ausgang 204 des Verstärkers 18 und dessen Emitter an Masse 84 angeschlossen ist.

Der allgemein mit 2θβ bezeichnete Lastwiderstand für den erfindungsgemäßen Schalter ist zwischen den Ausgang 204 und die Verzweigung 158 geschaltet. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß der Lastwiderstand 20β tatsächlich ein Widerstand oder eine

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andere elektronische Last für den Schalter 10 gemäß der Erfindung sein kann«, Je nach den Stromerfordernissen der tatsächlichen, zu schaltenden Last, die durch den Lastwiderstand 20β dargestellt ist, wird die genaue Konfiguration des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters gewählt.

Nachstehend sind bevorzugte Werte für verschiedene Bauteile des erfindungsgemäßen Schalters 10 angegeben» Die von der Stromversorgung 20 gelieferte Spannung besitzt einen Wert und eine Polarität, die mit der restlichen Schaltung vereinbar sind. Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist die Spannung an der Verzvjeigung 70 als gegenüber der Schaltkreismasse 84 positiv und mit einer Größe von 15V vorausgesetzt. Die Erfindung soll jedoch weder auf diese Polarität, noch auf diesen Wert beschränkt sein.

Allgemein läßt sich weiterhin sagen, daß es, obgleich im folgenden bevorzugte Werte für die elektronischen Bauteile angegeben sind, für den Fachmann offensichtlich ist, daß die Erfindung keinesxvegs auf diese Vierte beschränkt sein soll, sofern dies nicht speziell angegeben ist. Die angegebenen Werte dienen lediglich als Anleitung und Hilfe für die die Erfindung rechtmäßig anwendenden und ausnützenden Personen.

Die Werte der Widerstände 32 und j4 liegen im Megaohmbereich, da sie, wie erwähnt, die die Tastflächen berührende Person vor einem möglichen elektrischen Schock bewahren und einen Schutz vor Durchschlag der elektrischen Isolierung und dgl. bieten sollen. Außerdem schützen die Widerstände j?2 und j4 die erfindungsgemäße Schaltung vor Schäden durch die von einem Benutzer geführten Spannungen, z.B. elektrostatischen Aufladungen. Der Mindestwiderstandswert wird somit durch beide Überlegungen bestimmt. Die maximalen Widerstandswerte bestimmen sicli durch die praktische Herstellbarkeit und auf der Grundlage der an diesen Widerständen zu erwartenden Ströme, so daß diese Widerstände die Eingangsströme nicht unzulässig begrenzen.

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Es hat sich gezeigt, daß die Widerstände 32 und 34 unter bestimmten Umständen keinen Schutz vor dem hohen elektrischen Potential bieten,das am Körper eines Benutzers des Schalters 'anliegen kann. Wenn diese Widerstände 32, 34 niht verschmutzt sind, so daß ein Teilkurzschluß der an den Widerstandskörpern anliegenden Spannung auftreten könnte, und wenn diese Widerstände lang genug sind, sind die Widerstände 32, 3²I- für statische Aufladungen von 10 - 20 kV am Körper eines Benutzers des Schalters ausreichend.

Wenn eine Dünn- oder Dickschichtaufdampfung für die Widerstände 32 und 34 vorgesehen werden soll, um dadurch Raum, Montageaufwand und dgl. zu sparen, kann dann, wenn die Widerstände 32 und 3^ verschmutzt sind, eine ungenügende Größe besitzen oder mit anderen Mangeln behaftet sind, aufgrund derer eine Spannung die Widerstände überbrücken könnte, eine vom Benutzer des Schalters geführte statische Spannung von beispielsweise 20 kV zu einer Beschädigung des Differentialfühlers 14 führen. Dies trifft speziell auf die bevorzugte Ausführungsform zu, bei welcher der Differentialfühler 14 MOS-Elemente verwendet.

Gemäß Fig. 2 sind Dioden 110 und 111 zur Verhinderung einer Beschädigung der MOS-Eingangsschaltung vorgesehen. Die Gate-Elektrode der MOS-Eingangsstufe verträgt jedoch nur außerordentlich schwache Ströme, und sie stellt im Grunde einen Kondensator von 5 pF dar. Bei der Einführung eines hohen elektrostatischen Potentials durch den Benutzer des Schalters, bei dem ein Strom von mehr als 5 mA erzeugt werden kann, werden daher im allgemeinen die Dioden 110 und 111 zerstört und die Gate-Elektroden der MOS-Elemente an der Eingangsseite des Differentialfühlers 14 durchgeschlagen, so daß diese MOS-Elemente zerstört werden.

Im USA-Staat Minnesota wurden im Winter bei entsprechend niedrigen Luftfeuchtigkeiten sehr hohe (statische) Aufladungen an

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Menschen festgestellt, insbesondere bei zunehmender Verwendung von Kleidungsstücken und Bodenbelägen aus synthetischen Stoffen, Gemessen z.B. an der Länge eines von den Fingerknöcheln einer einen üblichen Lichtschalter berührenden Person bis zur Erdungsschraube des Lichtschalters gezogenen Funken wurde bei Bekanntsein der dielektrischen Festigkeit von Luft und bei normaler Temperatur und normalen sonstigen Umgebungsbedingungen ermittelt, daß von Personen, welche den Schalter 10 gemäß der Erfindung benutzen, 25 - 50 kV geführt werden können. Dieses Potential von 25 - 50 kV ist dabei auch auf Dauerbasis vorhanden, da sich der menschliche Körper nach einigen Schritten über einen Bodenbelag aus synthetischem Material wieder aufladen kann.

Weiterhin hat es sich gezeigt, daß sich der menschliche Körper gegenüber statischer Aufladung etwa wie ein Kondensator im Bereich von 100 pF verhält. Aus diesem Grund hat es sich gezeigt, daß die Anordnung der Kondensatoren 29 und 3I aus den im folgenden genannten Gründen einen wesentlich besseren Schutz des Differentialfühlers 14 bietet.

Wenn der Höchststrom, den die Eingangselemente des Differentialfühlers 14 aushalten können, bevor ein Schaden auftritt, beispielsweise bei etwa 5 mA oder geringfügig darunter liegt, haben im Fall von Widerständen 32 und J>k von etwa 1 Megaohm an den Verzweigungen 17 und 19 liegende Spannungen von 10 - 20 kV keine Beschädigung des Differentialfühlers 14 zur Folge, weil der erzeugte Strom nur 10 - 20 mA beträgt, wenn vorausgesetzt wird, daß der Effektivwert der Widerstände 32, 3^ ihr Nennwert von 1 Megaohm ist. Dieser Strom hat daher keine Beschädigung des Differentialfühlers 14 zuf Folge, wie sich dies durch Versuche bestätigt hat. Die Widerstände 32 und 3^ besitzen daher im allgemeinen einen Wert zur Begrenzung eines etwaigen, an den Schalter 10 angelegten elektrischen Hochpotentials auf den·Milliamperebereich, und dieser Wert liegt im allgemeinen im Megaohmbereich,

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Es ist zu beachten, daß der Höchststrom unter ungünstigsten Bedingungen berechnet werden sollte, in denen die anlegbare Höchstspannung nicht durch den Nenn-Widerstandwert, sondern durch den effektiven Widerstandwert, falls dieser niedriger ist als der Nennwert, geteilt wird.

Die Schwierigkeit besteht dann darin, den durch die statische Aufladung, die von einem Benutzer des erfindungsgemäßen Schalters 10 getragen wird, erzeugten Strom auf einen zulässigen Bereich zu reduzieren. Es hat"sich gezeigt, daß durch Anordnung der Kondensatoren 29 und 31 diese Stromverringerung erreicht werden kann. Es wird angenommen, daß die Kondensatoren 29 und 351 diesen Schutz durch eine Spannungsteilwirkung mit der Kapazität des (Benutzer-)Körpers oder durch eine Spitzenstromreduktionswirkung oder aber eine Kombination beider Wirkungen gewährleisten.

Genauer gesagt, wenn der Körper eines Benutzers als Spannungsquelle von 50 kV angesehen wird, die mit einer Kapazität im Bereich von 100 pF in Reihe geschaltet ist, so hat die Berührung der Fläche 12 durch den Benutzer, wenn Widerstände j52 und j4 mit einem Effektivwert von 1 Megaohm vorgesehen sind und die Kondensatoren 29 und 31 in Mittelanzapfanordnung zu Masse angeordnet sind, effektiv die Bildung eines ohmschen kapazitiven Stromkreises für die statische Wechselfrequenzspannung zur Folge, wobei .der Stromkreis die mit- 5 kV angenommene Körperspannungsquelle, die als im Bereich von 100 pF liegend vorausgesetzte Körperkapazität und den Kondensator 29 einschließt und über Masse geschlossen ist. Das Potential von 50 kV des Körpers des Benutzers des Schalters wird dabei effektiv zwischen der Körperkapazität und dem Kondensator 29 geteilt, so daß Spitzenströme und Geschwindigkeit des Stromanstiegs verringert werden. Wenn daher die Größe des Kondensators 29 im Bereich der Körperkapazität liegt, wird durch die Spannungsteilung zwischen Körperkapazität und Kondensator 29 die an den

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Widerständen 32 und J>h an den Verzweigungen 17 bzw. 19 anliegende Höchstspannung auf die Hälfte der angenommenen Körperspannung von 50 kV reduziert, Außerdem werden auch Spitzenströme und die Geschwindigkeit des Stromanstiegs erheblich verringert,. An die Verzweigungen 17 und 19 werden daher 25 kV angel egt, was - wie oben aufgeführt - innerhalb des Bereichs liegt, der beim angenommenen Beispiel vom Differentialfühler 14 tolerierbar ist« Außerdem wird angenommen, daß bei der Erfindung die Spitzenströme unter die V/er te vermindert werden, die bei der Anlegung von 25 kV an die Verzweigungen 17 und 19 erzeugt werden würden.

Eine ähnliche Reaktion findet statt, wenn die Tastfläche 13 durch den Benutzer des Schalters berührt wird.

Die Widerstände 62 und 64 besitzen Werte im Bereich von 100 k-Λ-bis 300 MJT-, wobei in Abhängigkeit von der gewünschten Ansprechempfindlichkeit des Schalters ein bevorzugter Wert im Bereich von 2,2 - 3OO ΜΛliegt. Bei einem niedrigeren Widerstandswert wird auf noch zu erläuternde Weise ein niedrigerer Differential- bzw« Wirksignaleingang zur Betätigung des Schalters geliefert, was eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit des Schalters bedingt. Umgekehrt ermöglicht ein höherer Wert der Widerstände 62 und 6K ein höheres Differentialsignal, das dann zur Betätigung des Schalters zur Verflgung steht, so daß sich eine höhere Ansprechempfindlichkeit des Schalters ergibt.

Die Schalteransprechempfindlichkeit ist in ihrem üblichen Sinn auf der Grundlage der erforderlichen Größe des Eingangssignals · zur Lieferung eines Ausgangssignals vom Schalter zu verstehen. Ein Schalter mit niedriger Ansprechempfindlichkeit erfordert dabei ein höheres Eingangssignal zur Lieferung eines Ausgangssignals und umgekehrt« In Anwendung auf den erfindungsgemäßen Schalter bedeutet dies, daß eine hohe Ansprechempfindlichkeit die Betätigung des Schalters z_oB. mit einer mit Handschuh be-

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kleideten Hand oder bereits in einem geringen Abstand von den Tastflächen 12 und 13 gestatten würde. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll daher der Ausdruck "Berührung" nicht auf eine tatsächliche körperliche Berührung des Körpers einer Bedienungsperson mit den Tastflächen beschränkt sein, sondern sich vielmehr lediglich auf eine ausreichende Annäherung des Körpers der den Schalter bedienenden Person an die Tastfläche, ohne diese notwendigerweise zu berühren, beziehen, um dadurch bereits eine Betätigung des Schalters zu gewährleisten. Ersichtlicherweise hängt der für die Betätigung erforderliche Annäherungsgrad unmittelbar von der Ansprechempfindlichkeit des Schalters ab.

Die zur Spannungsteilung eines Wechselspannungssignals dienenden Widerstände 50 ^υ-^η^ 5^ besitzen im allgemeinen einen Wert im Bereich von 10 k Jl. bis hinauf zum Megaohmbereich, was - wie dem Fachmann bekannt sein dürfte - von den jeweiligen Impedanzpegeln abhängt. Ebenso kann der drei Widerstände enthaltende Block 22 auch andere Formen besitzen und dennoch die Gleichtakt-Signalerfordernisse gemäß der Erfindung gewährleisten. Derartige Abwandlungen können einen Transformator mit einem Ausgang an der gewünschten Spannung , eine Spannungsanzapfung des Transformators 36 der Stromversorgung 20, einen großen Reihenwiderstand zur Minderung von Spannung und Strom auf gewünschte Werte, einen Oszillator o.dgl. umfassen.

Wie noch näher erläutert werden wird, liegt der Wert des Widerstands 65 in bevorzugter Ausführungsform im Megaohmbereich.

Die Werte des Kondensators 16 und des Widerstands 180 werden so gewählt, daß sie eine Zeitkonstante, d.h. Produkt aus dem Viert der Kapazität multipliziert mit dem Widerstandswert, besitzen, die erheblich größer ist als die Periode des an der Verzweigung 60 der Eingangsschaltung 15 anliegenden Wechselspannungssignals. Für eine bevorzugte und, wie noch zu erläutern

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sein wird, vorausgesetzte Frequenz von 6o Hz haben sich somit ein Wert des Kondensators ίβ von etwa 4000 pF und ein Wert des Widerstands 18O von 20 ΗΛ, wobei eine geeignete RC-Zeitkonstante von 80 ms geboten wird, als zweckmäßig erwiesen. Falls der erfindungsgemäße Schalter für die Fertigung nach Integrations- oder Dickfilmtechniken ausgelegt wird, wird der Wert des Kondensators 16 im allgemeinen ausreichend klein gewählt, um eine solche Fertigung zu ermöglichen. Der Wert des Widerstands '18O wird dann in Übereinstimmung mit den obigen Grenzen in Anpassung an den gewählten Wert des Kondensators 16 gewählt.

Die Wechselfrequenz, deren Werte angegeben sind, beträgt 6θ Hz entsprechend der (in den USA) üblichen Netzfrequenz, die an den meisten Orten ohne weiteres zur Verfügung steht. Andere, sowohl höhere als auch niedrigere Frequenzen können ebenfalls verwendet werden, wobei die Beschränkungen bezüglich der Frequenz auf der Verfügbarkeit einer Schwingungsquelle, der gewünschten Integration des Schalters auf einem Substrat sowie anderen, dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Einschränkungen beruhen.

Der Verstärker 18 ist in älteren USA-Patentanmeldungen derselben Anmelderin ausführlich erläutert«, Beim Verstärker 18 kann es sich auch um einen beliebigen anderen, herkömmlichen Verstärker handeln, xvelcher die Stromerfordernisse des beschriebenen Schalters erfüllt, einschließlich MOS-Verstärker oder logischer Puffer.

Wie noch näher erläutert xverden wird, liegt der gewünschte Wechselspannungseingang je nach der gewünschten Ansprechempfindlichkeit in einem weiten Bereich, Bei der 60-Hz-Frequenz gemäß der bevorzugten Ausführungsform wurden Spannungen im Bereich von 4 - 150 V (Spitze-Spitze^ erfolgreich angewandt. Bei der im Beispiel vorausgesetzten Gleichspannungsversorgung von 15 V x-Jerden Spannungen von 10 - 150 V bevorzugt verwendet.

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Nachstehend ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Schalters erläutert.

Grundsätzlich wird der erfindungsgemäße Schalter 10 dann betätigt, wenn eine der Tastflächen 12 oder 1j5 durch eine Person berührt wird. Die mit etwa 50 bis 100 pP ermittelte Kapazität des Körpers der den Schalter bedienenden Person liefert dem Differentialfühler 14 sowie der im folgenden zu beschreibenden, den Schalterverstärker aufweisenden Schaltung ein unabgelichenes bzw. Differentialeingangssignal, welches die Aufladung des Kondensators 16 beeinflußt. Der Ladezustand des Kondensators 1β beeinflußt sodann den Zustand des Verstärkers 18, so daß die elektrische Impedanz zwischen den Klemmen 204 und Masse einen ersten Zustand in Form eines hohe Impedanz besitzenden, einem offenen elektrischen Schaltkreis entsprechenden AUS-Zustands des Schalters oder einen zweiten Zustand in Form eines niedrige Impedanz besitzenden, elektrisch kurzgeschlossenen Schaltkreises bzw. EIN-Zustand des Schalters einnimmt, was annähernd den beiden Zuständen eines herkömmlichen, mechanisch betätigten elektrischen Schalters entspricht, wobei der Zustand der Impedanz zwischen den Klemmen 204 und 84 davon abhängt, ob eine Person die Tastflächen 12 oder 13 berührt hat oder nicht

Genauer gesagt, liefert der Gleichtaktblock 22 über die Eingangsschaltung 15 ein Wechselspannung-Gleichtaktsignal an beide Eingänge 21 und 23 des Differentialfühlers 14·. Eine bekannte Eigenschaft eines logischen exklusiven ODER-Glieds besteht darin, daß durch dieses Schaltelement jedesmal dann ein Ausgangsimpuls geliefert wird, wenn die angelegten Eingangssignale um einen den Spannungsschwellenwert dieses Schaltelements übersteigenden Betrag voneinander abweichen. Bei dem MOS-Schaltkreis gemäß Figo 2 beträgt der Schwellenwert etwa die Hälfte der an die Klemmen 142 und 146 angelegten Spannung.

Wenn somit überhaupt kein Signal an den Eingängen 21 und 23

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anliegt, liefert der Fühler 14 eine logische "0"₀ Auf ähnliche Weise bewirkt bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ein an die Eingänge 21 und 27> angelegtes, abgeglichenes
V/echselspannungssignal ebenfalls die Erzeugung eines Ausgangssignals in Form einer logischen "0"„ Zu beachten ist, daß dieses Signal nicht nur bezüglich Amplitude, sondern auch bezüglich Phase abgeglichen sein muß, und diese Charakteristik wird für den Betrieb des erfindungsgemäßen Schalters ausgenutzt« Weiterhin is'c zu beachten, daß die genaue Spannungspolarität, die
einer logischen "θ" oder einer logischen "1" zugeordnet ist,
je nach dem jeweiligen Hersteller variieren kann und daher keinen Faktor für die Erfindung darstellt, da sich die genaue Polarität nur auf den Aufbau der nachgeschalteten Stufen auswirkt und deren Eigenfunktion nicht verändert. Obgleich bei der dargestellten Ausfülirungsform ein exklusives ODSR-Element verwendet wird, ist weiterhin darauf hinzuweisen, daß kein Unterschied in den arn Ausgang 14O gelieferten Ausgangs signal besteht, wenn die an den Eingang 21 angelegte Spannung größer oder kleiner ist als die Spannung am Eingang 27). In jedem Fall liefert der Fühler 1'-I- ein Signal entsprechend einer logischen "1" der gleichen Polarität arn Ausgang 14O.

Ucnn sich der· Fühler 14 beispielsweise in einem Ruhezustand befindet, in viel ehern das an die Eingangsschaltung 15 gelegte
w'echselspannungssignal in bezug auf die Differentialeingänge 21 und 27j abgeglichen ist, entspricht die Ruhespannung am Ausgang 1¹I-O des Fülllers 14 entweder⁵ nahezu der Speisespannung an der
Verzweigung 146 oder nahezu der an Masse 84 liegenden Spannung. Bei der bevorzugten Schaltung gemäß Figo j? entspricht diese
Ruhespannung nahezu dem Potential an Schaltkreis-Masse 84. Infolgedessen erscheint keine Spannung am Kondensator 16, so daß dieser nicht aufgeladen ist« Wenn keine Spannung am Kondensator 16 anliegt, wird dem Verstärker 18 kein Eingangssignal geliefert, so daß die Impedanz zwischen Verstärkerausgang 204 und Masse praktisch einem offenen Stromkreis entspricht. In diesem Zustand

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kann der Schalter als in seiher Abschalt- bzw. AUS-Steilung befindlich angesehen werden.

Der jeweilige Zustand der Impedanz zwischen Ausgang 204 und Masse 8^^L kann jedoch auf einen beliebigen Zustand eingestellt werden, beispielsweise durch Wahl eines Differential-fühlers 14, bei dem der Ruhezustand des Ausgangs 1¹I-O nahezu der Speisespannung an der Klamme ^KG entspricht. Bei diesem Ruhezustand x^äre der Verstärker 18 vorgespannt und der Transistor 202 durchgeschaltet,, so daß ein elektrischer Kurzschluß über dem Verstärkerausgang 204 und Masse hergestellt ist. Beim erfindungsgemässen Schalter kann daher jeder normale Schalterzustand als Ruhezustand gewählt vi er den.

Infolge dieser Flexibilität bzw. Anpassungsfähigkeit seiner Bauteile kann der erfindungsgemäße Schalter 10, wie erwähnt, vor der Berührung durch eine ihn bedienende Person im EIN- oder im AUS-Zustand und nach der Berührung durch die Bedienungsperson im entgegengesetzten Zustand stehen. Durch entsprechende Verklinkung oder anderweitige Rückkopplung kann der erfindungsgemäße Schalter 10 ebenso gut als Rast- bzw. Einklinkschalter oder mit jeder beliebigen anderen Schalterkonfiguration anstelle des beschriebenen Tastschalters ausgelegt werden.

Wenn ein Ruhezustand des Schalters 10 angenommen wird, in welchem der Transistor 202 des Verstärkers 18 sperrt und somit der Stromkreis zwischen Verstärkerausgang 204 und Masse 84 praktisch offen ist, besteht bei einer Berührung einer der Flächen 12 oder 15 durch eine Bedienungsperson oder bei ihrer Annäherung an diese Tastflächen eine Kapazität zwischen einem der Doppeleingänge 21 und 23 des Fühlers 14- sowie Masse 46₀ Durch diese zusätzliche Kapazität wird die Phase des über die Verzweigung 60 angelegten Wechselspannungssignals bei seiner Anlegung an die Fühlereingänge 21 und 2j5 in Unabgleich gebracht.

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Wenn insbesondere angenommen wird, daß der Körper der Bedienungsperson eine Kapazität zwischen der Berührungsfläche 12 und Masse 46 herstellt* so erscheint diese Kapazität beispielsweise zwischen Fühlereingang 23 und Masse 46, Bei der an Masse liegenden Version des erfindungsgeraäßen Schalters 10, bei welcher die Erdungsmasse 46 mit der Schaltkreismasse 84 verbunden ist, läuft der Phasenwinkel des vom Block 20 an den Eingang 23 angelegten Wechselspannungssignals hinter der Phase des am Eingang 21 anliegenden Wechselspannungssignals nach. Wennndabei an bestimmten Punkten in jeder Periode des anliegenden Xtfechselspannungssignals ein ausreichender Phasenunterschied entsteht, entspricht der Unterschied zwischen der am Eingang 21 anliegenden Spannung und der Spannung am Eingang 23 einem Betrag,welcher die Schwellenwertspannung für das exklusive ODER-Element übersteigt, wobei ein Ausgangssignal in Form einer Reihe von Impulsen geliefert wird, deren Breite die Zeit angibt, während welcher der Schwellenwertzustand überschritten worden ist.

Infolge dieser Phasenverschiebung beim erfindungsgernäßen Schalter bewirkt die am Ausgang 14O auftretende Impulsreihe während der Zeitpunkte, an denen der Schwellenwert für den Fühler 14 überschritten wird, ein Aufladen des Kondensators 16, wobei dessen Ladung in Verbindung mit dem Widerstand 183 als Stromzufuhr zum Verstärker 18 auftritt. Durch diesen Eingangsstrom werden die Transistoren im Verstärker 18 durchgeschaltet, und es wird eine Zustandsänderung des Schalters 10 in der Weise hervorgerufen, daß die Impedanz über Verstärkerausgang 204 und Masse 84 von einem hohen auf einen niedrigen Viert übergeht.

Im folgenden sind nunmehr die Kriterien beschrieben, nach denen die Bauteile für den erfindungsgemäßen Schalter 10 gewählt werden.

Eine hauptsächliche Überlegung besteht darin, den Doppel-Differentialeingängen 21 und 23 des Fühlers 14 im wesentlichen abge-

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glichene bzw«, ausgewogene Wechselspannungssignale zuzuführen. Dieser Abgleich oder Ausgleich wird durch die Werte der Widerstände 62 und 64 gesteuerte Die Widerstände 62 und 64 besitzen daher gegeneinander ausgeglichene Werte, so daß den Eingängen 21 und 2^ der Logikschaltung 14 das praktisch abgeglichene Wechselspannungssignal geliefert wird.

Dies bedeutet jedoch nicht, daß die Widerstände 62 und 64 genau ausgeglichen bzw_Q gleich groß sein müssen, weil andere Schaltkreisparameter, ζ.Β« die Eingangsschaltung des Differentialfühlers 14, tatsächlich einen geringfügigen Unabgleich erforderlich machen können. Dies hat sich bei den exklusiven ODER-Elementen der Reihe RCA CD4Oj5O als richtig erwiesen, bei denen der eine Eingang ein mit der Logikschaltung in Reihe geschaltetes tbertragungsgatter (transmission gate) aufweist. Bei Schaltkreisen der in I^?ig. 2 dargestellten Art, bei denen alle anderen Pa.rameter normaler'weise abgeglichen sind, hat es sich erwiesen, daß bei Verwendung von Widerständen mit einer Toleranz von 2 10;j 'and gleichem Widersts.ndsnennwert bei Anordnung des Widerstands 65 auf noch zu beschreibende Weise praktisch ein Abgleich für den erfindungsgemäßen Schalter 10 erreicht werden kann.

Gemäß der bevorzugten Entwurfsreihenfolge wird dann zunächst ein Wert für die Widerstände 62 und 64 in Abhängigkeit von der gewünschten, vorher geschilderten Ansprechempfindlichkeit gewählt. Bei einem kapazitiven Schalter sollte die Ansprechempfindlichkeit vorzugsweise die geringstmögliche, für den Schalterverwendungszweck zulässige Größe besitzen, um damit die Möglichkeit einer ungewollten oder ungewünschten Schalterbetätigung zu berücksichtigen.

Wenn eine hohe Ansprechempfindlichkeit gewünscht wird, so daß der erfindungsgemäße Schalter 10 durch eine mit Handschuh bekleidete Hand, durch dichte Annäherung der Bedienungsperson oder eines anderen Objekts ο „dgl,, betätigt werden kann, wird der Wert

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dor Widerstände 62 und 64 stärker dem oben angegebenen Wert von j5°0 Megaohm angenähert, sofern die anderen Parameter den vorher genannten Bedingungen entsprechen. Falls eine niedrigere Ansprechernpfindlichkeit erforderlich ist, um eine unerwünschte Betätigung des Schalters sicher zu vermeiden, so daß tatsächlich eine feste Berührung einer der Tastflächen 12 oder 13 durch die Pinger der den Schalter bedienenden Person möglich ist, sollte ein eher bei 5 Megaohm liegender Widerstandswert gewählt werden. Der genaue Wert der Widerstände 62 und 6¹I- hängt von der jeweiligen Konfiguration des Pühlers 1^, der Länge der Eingangsleivungen 28 und 350, dem Wert bzw, der Größe der an der Verzweigung "JO verfügbaren Speisespannung, dem Wert bzw» der Größe des an der Verzweigung 52 anliegenden Wechselspannungssignals und ähnlichen Überlegungen ab, welche bestimmen, daß im Ruhezustand keine Schalterbetätigung erfolgen darf.

Wann der Wert der Kondensatoren 29 und J-1, wie erwähnt, im Bereich der Körperkapazifcät liegt, wird nur die Hälfte der möglicherweise vom Körper des Benutzers des Schalters geführten statischen Spannung an den Schaltereingang angelegt. Bei Verkleinerung des Werts der Kondensatoren 29 und 51 wird, wegen eier umgekehrten Beziehung zum Kapazitätswert ein höherer Anteil der vom Körper des Benutzers geführten statischen Spannung angelegt. Wenn dagegen die Kondensatoren 29 und 5I zu groß gewählt werden, wird die Ansprechempfindlichkeit des Schalters analog zu der nachfolgend in Verbindung mit dem Widerstand noch zu erläuternden reduzierten Ansprechempfindlichkeit herabgesetzt „ Da somit ein niedrigerer Wert der Kondensatoren 29 und 51 eine maximale Ansprechempfindlichkeit gewährleistet, '.■■/erden im Bereich der Körperkapazität liegende Vierte für die Kondensatoren 29 void 51 bevorzugt„ Vorteilhafterweise werden daher Werto im Bereich von 100 pp angewandt, wobei sich ein Wert von 58 pF im Botrieb als zufriedenstellend erwiesen hat.

Als nächstes 'wird beim Entwurf die Amplitude des Wechselspan-

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nungssignals gewählt,, Die Wahl dieser Amplitude erfolgt unter Berücksichtigung der verfügbaren Spannung, nämlich ob die volle .Spitze-Spitse-Normalmeßspannung von 150 V verfügbar ist, ob nur eine Transformatorspannung eines niedrigeren Werts verfügbar ist oder ob eine künstliche Spannung erzeugt werden muß_o Die Kosten für diese Spannung und ihre Verfügbarkeit stellen einen definitiven Faktor bei jedem Entwurf dar, weil der erfindungsgemäße Schalter 10 mit dem Rest des Schaltkreises oder der anderen, zu schaltenden Vorrichtung vereinbar sein muß.

Unter Berücksichtigung der oben genannten, praktischen Bedingungen wird die Amplitude des Wechselspannungssignals im allgemeinen als Feinabstimmung der Schalter-Ansprechempfindlichkeit gewählt.. Dies bedeutet, daß bei einer höheren Spannung eine höhere Schalter-Ansprechernpfindlichkeit erreicht wird, da eine größere Spannung über die Widerstände 62 und 64 vorhanden ist. Bei einem niedrigeren Wert des vom Block 22 gelieferten Wechselspannungssignals ergibt sich dagegen eine niedrigere Ansprc-chempfindlichkeit des Schalters. Zu beachten ist, daß die Einstellung der Amplitude des Wechselspannungssignals einen nebengeordneten Einfluß auf die Vierte der Widerstände 62 und selbst hat.

Beim Erstentwurf mit neugewählten Bauteilen erweist es sich sodann als vorteilhaft, den Schaltkreis auf Stabilität zu prüfen, doll· ob ein Ruhezustand tatsächlich aufrechterhalten werden kann oder ob wahllose Betätigungen des Schalters aufgrund von Unabgleich der Widers "bände 62 und 64, der Länge dor Eingangsleitungen 28 und pO, anderen Unabgleicliszustänäen im Schaltkreis und bei gleichen Bedingungen auftreten. Wenn ein geringfügiger Unabgleich festgestellt wird, der zu einer Reihο von ziemlich schmalen Signalspitzen auf der Frequenz des Wechselspannungssignals führt, ist es - wie die Praxis gezslgb hat durch Einfügung eines Widerstands 65 über die Verzweigungen und 26 möglich, den erfiiidungsgernäßen Schalter 10 in einen stabilen Ruhezustand zu bringen,,

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Der Widerstand 65 besitzt insofern eine Doppelfunktion, als er einerseits einen besseren Abgleich des zugeführten Wechselspannungssignals und andererseits eine weitere Feinabstimmung der Ansprechempfindlichkeit ermöglicht. Der Widerstand 65 macht die Eingänge zu einem solchen Grad unempfindlich, daß ein ausgeglichener bzw. abgeglichener Zustand über einen weiten Amolitudenbereich des Wechselspannungssignals hinweg möglich ist und zudem ein größerer Unabgleich in den Werten der Widerstände 62 und 64 vorhanden sein kann. Wenn der restliche Schaltkreis also voll abgeglichen ist, einschließlich der Vierte der Wid einbände 62 und 64, ist somit; ersichtlicherweise der Widerstand 65 nicht nötig, weil die Amplitude des Wechselspamiungssignals für die Peineinstellung der Ansprechempfindlichkeit benutzt werden kann. Außerdem kann bei der Schaltung gemäß Figo 1 auf den Widerstand 65 verzichtet werden, wenn die über den Klemmen 142 und 146 anliegende Speisespannung für den Fühler 14 hoch genug ist, um einen erheblichen Schwellenwert des Schalters zu gewährleisten.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel eines funktionsfähigen Schalters innerhalb des angegebenen Bereichs und unter Verwendung der Schaltkreise gemäß den Fig. 1 und 2 weist Widerstände 62 und 54 von 22 Megaohm, Kondensatoren 29 und 5I von 68 pF, einen Widerstand 65 von 3,3 Megaohm, eine Speisegleichspannung von 3 bis 8 V (für C-MOS-Halbleiter) und von bis zu 30 V (für MOS-Halbleiter) sowie eine Amplitude des Wechselspannungseingangs von 5 bis I50 V (Spitze-Spitze) bei einer Nennspannung von 25 bis 30 V auf. "Hierbei ergibt sich ein sehr stabiler Schalter, bei dem eine Länge des verdrallten Leitungspaars 28 und 30 von bis zu etwa 15 ra bei niedriger Kapazität zwischen den beiden Leitungen möglich ist, wobei für eine Betätigung des Schalters eine tatsächliche Berührung einer der Tastflächen 12 oder 15 nötig ist. Sin stabiler Schalter kann auch mit einem Wert des Widerstands 65 von 1 Megaohm erzielt werden. Bei einem Wert des Widerstands 65 von etwa 10 Megaohm wurde bei einigen Geräten eine sporadische, ohne Betätigungsberührung erfolgende

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Betätigung des Schalters beobachtet.

Es ist zu beachten, daß bei dem erfindungsgeraäßen Schalter 10 eine beträchtliche Leitungslänge der beiden verdrallten Eingangsleitungen 28 und 30 möglich ist, was durchaus im Gegensatz zu zahlreichen anderen, bisher verwendeten Schaltern dieser Art steht. Aufgrund dieser Eigenschaft kann beispielsweise ein in der Hand haltbares Werkzeug lediglich die Tastflächen 12 und aufweisen, während sich die restlichen Abschnitte des Schalters 10 an der zu steuernden Schaltung oder Vorrichtung befinden. Die Begrenzung der zulässigen Leitungslänge hängt von der gewünschten Anspreciiernpfindlichkeit und schließlich auch von der festzustellenden Kapazität des menschlichen Körpers ab. Für den Fachmann ist somit ersichtlich, daß die Leitungen 28 und 30, wenn sie eine übermäßige Länge besitzen, eine Kapazität besitzen, welche den etwa 100 pF betragenden Kapazitätwert des menschlichen Körpers um einen solchen Betrag übersteigt, daß die Berührung durch die betätigende Person überdeckt und mithin eine Betätigung des Schalters verhindert wird. Eine übermäßige Länge der Leitungen 28 und J>0 hat auch noch andere, ähnliche Auswirkungen, wie sie für den Fachmann bekannt sind.

Es kann auch gewünscht werden, eine oder mehrere Verbindungen zwischen Schaltkreismasse und Erdungsmasse beim Schalter 10 gemäß der Erfindung zu entfernen und den Schalter gegenüber Masse erdfrei zu halten. In diesem Fall kann die Schaltung gemäß der Erfindung unverändert bleiben, oder der Block 22 und sein zugeordnetes Gleichtaktsignal können weggelassen werden, wenn die Schwingung dem Differentialfühler 14 über eine erdfreie Stromversorgung 20 oder nach anderen Verfahren geliefert wird, wie sie beispielsweise in' der USA-Patentanmeldung Serial Nr₀ 34ο 183 vom 12.3.1973 offenbart sind. Es wird jedoch auch in diesem Fall bevorzugt, eine feste Verbindung zwischen der Verzweigung 6o und einem Schaltungsbezugspunkt, etwa der Verzweigung 70 der Stromversorgung 20, vorzusehen, die nunmehr als

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gegenüber Erdungsmasse infolge der. Verbindung zwischen Verzweigung 76 der Stromversorgung 20 und Erdungsmasse 46 als erdfrei angeseherjwird. Es hat sich gezeigt, daß diese feste Verbindung 58 zwischen der Eingangsschaltung 15 und dem Rest des Schaltkreises eine zuverlässigere Betätigung des Schalters gewährleistet, obgleich in der erdfreien Betriebsart keine Verbindung zviischen der Verzweigung- βθ und dem Rest des dargestellten Schaltkreises nötig ist, ^; ,'

■ Im Hinblick auf die vorstehende Offenbarung der Erfindung sind dem.Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet nunmehr zahlreiche Abwandlungen und Änderungen offensichtliche Beispielsweise kann das in Fig» 2 näher veranschaulichte exklusive ODER-Element durch eine- Schaltung ersetzt werden, die je nach Bedarf oder Wunsch invertiert oder nicht invertiert.

Außerdem ist beim erfindungsgemäßen Schalter 10 ohne weiteres ein Schaltkreis.anwendbar, der keine MOS-Halbleiter, sondern ' Transistoren oder andere Halbleiterelemente oder Verstärkervorrichtungen verwendet. Die MOS-Vo!"richtungenwarden jedoch bevor?, zugt, wsil sie integriert und somit mit geringer Größe hergestellt werden können und weil sie einen Schwellenwert entsprechend etwa der HLLlfte der angelegten Speisespannung liefern. Außerdem bieten MOS-Vorrichtungen eine hohe Eingangsimpedanz, uric, sie nehmen äußerst niedrige Strompegel· bzw. -vierte auf, wodurch die Verwendung oinss zusätzlichen Verstärkers oder Pufforvors'barkers wegfallen kann," falls für das exklusive ODER-Elemont 1<i· andere Vorrichtungen verwendet werden« Genauer gesagt: Ec können der Eingangsschaltung 15 vorgeschaltete zusätzliche Verstärker oder Puffervorstlirker erforderlich sein, um den niedrigen Strompogel von der den Schaltor betätigenden Person oder einem anderen Objekt festzustellen bzw. abzunehmen«, Darüber hinaus sind MOS-Halbloitervorrichtungen für Beschädigung durch elektrisches Ilochpotential äußerst empfindlich.

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Der Ausgang des Schalters 10 gemäß der Er-findung kann weiterhin ohne weiteres kodiert bzw. verschlüsselt werden, beispielsweise indem die an der Verzweigung 175 verfügbare Ausgangsspannung in an sich bekannter V/eise in kodierter Form eine Anzahl von mehrere Eingänge aufweisenden Verstärkern, wie dem Verstärker 18, zugeführt wird. Wenn sich daher mehrere Schalter 10 gemäß der Erfindung auf einer vorgegebenen Fläche, etwa, einem Tastenfeld, befinden, kann ein verschlüsseltes Ausgangssignal mit weniger als einem Verstärker 18 für je ein Paar von Tastflächen erhalten werden.

Weiterhin arbeitet der erfindungsgemäße Schalter 10 anstelle der dargestellten Doppeleingangsleitung 28 und 30 (auch) mit nur einem einzigen Leitungseingang. Zrsichtlicherweise erfordert diese Schaltungsart einen Abgleichkondensator für den unbelegten Eingang, um dadurch die Kapazität der Leitung vom Fühlereingang zur Tastfläche abzugleichen.

Ebenso kann der erfindungsgemä.'Be Schalter 10 in ve rs oder reziprok betrieben werden, wobei er absichtlich unabgeglichen ist und durch eine Berührung durch die den Schalter betätigende Person in Abgleich gebracht wird. Zur Gewährleistung einer wesentlich besseren Zuverlässigkeit wird jedoch die vorstehend offenbarte Betriebsart bevorzugt»

Außerdem kannnder Ausgangs des Schalters 10 unter bestimmten Umständen von der Verzweigung 14O abgenommen werden, so daß die Notwendigkeit für die Diode 178, den Kondensator 16, den Widerstand 180, die restliche, dem Verstärker 18 zugeordnete Schaltung entfällt. Ein Beispiel für einen solchen Fall ergibt sich dann, wenn die zu steuernde Vorrichtung während einer Zeitspanne arbeitet, die im Vergleich zur Zeitspanne des IJechselspannungs-Eingangssignals zum Schalter 10 ziemlich kurz ist. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise ein elektronischer Rechner sein, bei dem eine Flip-Flop-Schaltung, die in

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NanoSekunden arbeitet, erregt bzw. an Spannung gelegt werden muß. Bekanntlich vermag hierbei ein einziger βθ-Hz-Impuls des Schalters 10 diese Erregung zu bewirken, worauf keine weiteren Impulse mehr erforderlich sind und diese vieiteren Impulse, die bei weiterer Berührung durch die Bedienungsperson vom Schalter 10 geliefert werden, keine Änderung des Zustands des Flip-Flops zur Folge haben und daher ignoriert bzw. vernachlässigt werden, so daß sie für die Schaltkreisbetätigung nicht nachteilig sind.

Da die Erfindung somit innerhalb ihres Rahmens in zahlreichen anderen speziellen, teilweise angedeuteten Ausführungsformen verwirklicht werden kann, soll die vorstehende Beschreibung in jeder Beziehung nur als die Erfindung erläuternd und keinesfalls einschränkend aufgefaßt werden. Vielmehr soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen, Abweichungen und Äquivalente mit einschließen.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein durch Berührung betätigbarer elektronischer Schalter geschaffen, der mindestens eine durch eine menschliche Person berührbare Fläche aufweist, die mit einer aktiven Schaltung verbunden und vor statischer Elektrizität geschützt ist» In bevorzugter Ausführungsform ist die aktive Schaltung ein Differentialfühler- bzw. -meßkreis, vorzugsweise ein logischer Schaltkreis mit Doppeleingang, sowie ein exklusives MOS-ODER-Element, welches dabei am dringendsten eines Schutzes vor statischer Elektrizität bedarf. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher die Verbindung zwischen der logischen Schaltung und den zu berührenden bzw. Tastflächen lange Leitungen enthalten soll, wird ein verdralltes Leitungspaar verwendet, wenn erhöhte Störsignalunempfindlichkeit bzw. ein erhöhter Storsignalschutz gewünscht wird. Die beiden verdrallten Leitungen sind am einen Ende miteinander verbunden, wobei die eine Leitung elektrisch mit der Tastfläche verbunden und die andere, praktisch gleich lange Leitung unbelegt oder mit einer zweiten Tastfläche verbunden

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ist. Beide Leitungen sind an ihren anderen Enden an die Doppeleingänge zur logischen Schaltung angeschlossen. An die Doppeleingänge sind außerdem Doppelirapedanzen angeschlossen, die zusammen mit der Impedanz des Körpers der Betätigungsperson einen Schutz vor statischer oder anderer Hochpotentialelektrizität bieten. Der logischen Schaltung wird dann über die Eingangsschaltung ein Gleichtakt-V/echselspannungssignal zugeführt, während der Ausgangs der logischen Schaltung mit einem Integrator, in bevorzugter Ausführungsform einem Kondensator, verbunden ist. Der Integrator ist in bevorzugter Ausführungsform seinerseits mit einem zusätzlichen Verstärker verbunden, dessen Ausgangsklemmen als elektrischer Schalter wirken, wobei die elektrische Impedanz über die Ausgangsklemmen in einem ersten Zustand einen hohen Wert entsprechend einem offenen elektrischen Stromkreis bzw. einem AUS-Zustand des Schalters und in einem zweiten Zustand einen niedrigen Viert entsprechend einem elektrisch kurzgeschlossenen Stromkreis bzw. ΞΙΝ-Schalterzustand besitzt, so daß diese beiden Zustände nahezu den beiden Zuständen eines herkömmlichen, mechanisch betätigten elektrischen Schalters entsprechen. Der vom zweiten Verstärker eingenommene Zustand hängt dabei davon ab, ob eine Bedienungsperson eine Tastfläche berührt hat oder nicht.

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Claims

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- 29 Patentansprüche

Elektronischer Berührungsschalter mit Schutz vor elektrischem Hoch(spannungs)potential, gekennzeichnet durch eine Fühler- oder Meßeinrichtung mit Signaleingang und Signalausgang zur Lieferung eines auf ein eingegebenes Eingangssignal bezogenen Ausgangssignals, durch eine Berührungsoder Tastfläche, durch eine Widerstandseinrichtung mit zwei Enden, durch eine Kapazitätseinrichtung mit zwei Enden, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Tastfläche und dem ersten Ende äev Widerstandseinrichtung, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Ende der Widerstandseinrichtung und dem ersten Ende der Kapazitätseinrichtung, durch Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der Kapazitätseinrichtung und Masse, durch Mittel zur elektrischen Verbindung des zweiten Endes der Widerstandseinrichtung mit dem Signalausgang der Fühlereinrichtung, durch Mittel zum Empfang einer Wechselspannung und durch Mittel zur elektrischen Verbindung der Empfangseinrichtung mit der Fühlereinrichtung.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtung eine Differentialfühlereinrichtung mit zvi ei Signal eingang en zur Aufnahme differentieller Signale ist, daß die Mittel zur elektrischen Verbindung des zweiten Endes der Widerstandseinrichtung mit dem Signaleingang der Fühlereinrichtung eine elektrische Verbindung zum ersten Signaleingang der Differentialfühlereinrichtung herstellen, daß die Mittel zur elektrischen Verbindung zwischen der Smpfangseinrichtung und der Fühlereinrichtung dem ersten und dem zweiten Eingang der Differentialfühlereinrichtung praktisch gleich große Gleichtakt-Wechselspannungen zuführen, und daß der Schalter weiterhin eine zweite Widerstands einrichtung mit zwei Enden, eine zweite Kapazitäts-

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einrichtung mit zwei Enden, eine Einrichtung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Ende der zweiten VJiderstandseinrichtung und dem ersten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung, Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung und Masse sowie Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der zweiten Widerstandseinrichtung und dem zweiten Eingang der Differentialfühlereinrichtiiig aufweist.

J), Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integriereinrichtung und Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Signalausgang der Fühlereinrichtung und der Integriereinrichtung vorgesehen sind.

4. Schalter nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Viert im Megaohm-Bereich und die Kapazitätseinrichtung einen Wert im pP-Bereich besitzt.

5. Schalter nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegten Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird, und daß die Kapazitätseinrichtung einen Viert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt_β

6. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die WiderStandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich und die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

7. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird,

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und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich
der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt.

8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird,
und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt,

9· Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

10. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

11. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integriereinrichtung und Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Signalausgang der Fühlereinrichtung und der Integriereinrichtung vorgesehen sind.

12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich und
die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt,

13. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird,. und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt.

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14» Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich und die .Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt.

15o Durch Berührung betätigbarer elektronischer Schalter mit Schutz vor Hochpotentialelektrizität, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet,durch mindestens eine Berührungs- bzw. Tastfläche, durch eine Metalloxid-Halbleiterschalter-Verstärkereinrichtung mit Eingang und Ausgang, . durch eine Widerstandseinrichtung mit zwei Enden, durch eine Kapazitätseinrichtung mit zwei Enden, durch Mittel zur elektrischen Verbindung des ersten Endes der Widerstandseinrichtung mit der Tastfläche, durch Mittel zur elektrischen Verbindung des ersten Endes der Kapazitätseinrichtung mit dem ersten Ende der Widerstandseinrichtung, durch Mittel zur elektrischen Verbindung des zweiten Endes der Widerstandseinrichtung mit der Schalter-Verstärkereinrichtung und durch Mittel zur elektrischen Verbindung des zweiten Endes der Kapazitätseinrichtung mit Masse.

16. Schalter nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß eine Integriereinrichtung und Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Ausgang der Schalter-Verstärker einrichtung und der Integriereinrichtung vorgesehen sind.

17· Schalter nach Anspruch ΐβ, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den MiMampere-Bereich begrenzt wird, und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt.

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18. Schalter nach Anspruch 17* dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

19· Schalter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich besitzt.

20. Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Viert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizltät an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird, und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt,

21. Schalter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

22. Schalter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich besitzt.

2^. Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Viert im Bereich von 100 pF besitzt.

2²I-. Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Verstärkereinrichtung einen zweiten Eingang aufweist und daß eine zweite Widerstandseinrichtung mit zwei Enden, eine zweite Kapazitätseinrichtung mit zwei Enden, Mittel zur elektrischen Verbindung des ersten Endes der zweiten Widerstandseinrichtung mit dem ersten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung, Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung und Erdungsmasse sowie Mittel zur

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Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der zweiten Widerstandseinrichtung und dem zweiten Eingang der Schalter-Verstärkereinrichtung vorgesehen sind.

25· Schalter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird, und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt.

26. Schalter nach Anspruch 25 * dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich und die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

27. Schalter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt«

28. Schalter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

29. Schalter nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Verstärkereinrichtung einen zweiten Eingang aufweist und daß eine zweite Widerstandseinrichtung mit zwei Enden, eine zweite Kapazitätseinrichtung mit zwei Enden, Mittel zur elektrischen Verbindung des ersten Endes der zweiten Widerstandseinrichtung mit dem ersten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung, Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zivischen dem zweiten Ende der zweiten Kapazitätseinrichtung und Erdungsmasse sowie Mittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Ende der zweiten Widerstandseinrichtung und dem zweiten

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- 35 Eingang der Schalter-Verstärkereinrichtung vorgesehen sind.

30. Schalter nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen solchen Wert besitzt, daß der durch Hochpotentialelektrizität an die Tastfläche angelegte Strom effektiv auf den Milliampere-Bereich begrenzt wird, und daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich der Kapazität des menschlichen Körpers besitzt.

3I· Schalter nach Anspruch 30* dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Viert im Megaohm-Bereüi und die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt.

32. Schalter nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt.

33. Schalter nach Anspruch 29* dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pP besitzt.

34. Schalter nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätseinrichtung einen Wert im Bereich von 100 pF besitzt.

35. Schalter nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Wert im Megaohm-Bereich und die Kapazitätseinrichtung einen Viert im Bereich von 100 pP besitzt.

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