DE2654575C2 - Elektronische Berührungsschaltvorrichtung - Google Patents

Description

Zusammenfassung

Es wird eine elektronische Berührungsschaltvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein Schaltvorgang durch Berührung wenigstens einer Kontaktfläche, insbesondere durch die menschliche Hand, auslösbar ist. Die Vorrichtung umfaßt die wenigstens eine Kontaktfläche, durch die ein aus Feldeffekttransistoren aufgebautes Flipflop (MOS-Technik) betätigbar ist. Die Ausgangssignale des Flipfiops steuern ein Transmission-Gate. Durch Berührung der Kontaktfläche wird das Potential am Eingang des Flipfiops ungefähr auf Masse gelegt, so daß das Flipflop umschaltet. Dadurch wird das Transmission-Gate angesteuert, daß z. B. stromleitend

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65 wird. Eine aus Feldeffekttransistoren aufgebaute Stromquelle ist in Reihe zu der Kontaktflächenanordnung geschaltet, so daß unter Wegfall von Kondensatoren und hochohmigen Widerständen die gesamte Schaltvorrichtung integrierbar wird.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Berührungsschaltvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon zwei solche Schaltvorrichtungen aus dem Buch »Elektronic Circuits Manual«, John Markus, McGraw-Hill Book Company 1971, Seite 93, bekannt, bei denen durch eine Kontaktfläche ein Feldeffekttransistor angesteuert wird. In diesen Schaltungen sind Kondensatoren vorgesehen, wegen denen eine Integration der Schaltung nicht möglich ist. Weiterhin wird der Zustand der Kontaktflächen durch Ausgangssignale wiedergegeben, die einmal zur Steuerung eines Relais und zum anderen direkt einer Last zugeführt werden. Dies verhindert entweder eine Integration oder vermindert durch das spezielle Ausgangssignal die Einsatzvariationen.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift Elektor, Juli/August 1967, 88 »Tip-Flip-Flop«, ein durch eine Kontaktfläche gesteuertes Flipflop bekannt, durch das Transmission-Gates angesteuert werden können. Auch diese Anordnung ist durch die Verwendung zweier Kondensatoren und sehr hochohmiger Widerstände nicht für die Integration geeignet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das gesamte System, bestehend aus wenigstens einem Flipflop und einem diesem zugeordneten Schalter durch die Verwendung einer aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromquelle in Reihe zu der wenigstens einen Kontaktfläche in MOS-Technik, insbesondere CMOS-Technik integrierbar ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, als Stromquelle einen Stromspiegel mit zwei durch ihre Gate-Elektroden verbundenen Feldeffekttransistoren vorzusehen, da dadurch nur ein einziger Widerstand in der Schaltung benötigt wird. Dieser Widerstand kann bei geeigneter Dimensionierung mit integriert werden, kann jedoch auch extern angeordnet werden um damit eine Anpassung an verschiedene Spannungsquellen zu ermöglichen.

Weiterhin ist besonders vorteilhaft, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, jedoch auch als eine dem Hauptanspruch nebengeordnete Maßnahme, vorzusehen, daß wenigstens zwei Flipflop-Kontaktflächen-Schaltanordnungen vorgesehen sind, daß jedem Flipflop ein logisches Verknüpfungsgatter, insbesondere eine logische ODER-Verknüpfung, zugeordnet ist, dessen Eingänge an die Ausgänge der übrigen Flipfiops angeschlossen sind und dessen Ausgang zur Rücksetzung des zugeordneten Flipflop mit diesem verbunden ist. Dadurch können Blöcke von Berührungsschaltern in integrierter oder nicht integrierter Form erstellt werden, bei denen jeweils durch Betätigung einer der Kontaktflächen die gespeicherte Schaltinformation in der zuvor betätigten wieder gelöscht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Die Figur zeigt drei Kontaktflächenanordnungen, durch die sine in CMOS-Technik integrierbare Schaltvorrichtung steuerbar ist

Beschreibung der Erfindung

Drei Kontaktflächenanordnungen 10 bis 12 sind über Klemmen 13 bis 15 mit einer in CMOS-Technik integriertsren, elektronischen Schaltvorrichtung 16 verbunden. Die Kontaktflächenanordnungen 10 bis 12 bestehen dabei je aus einer kreisflächenförmigen, mit den Klemmen 13 bis 15 verbundenen Mittelelektrode 17 bis 19, um die sich je eine annähernd ringförmige, zweite Elektrode 20 bis 22 herumerstreckt Dabei sind die Elektroden 17 bis 19 jeweils von den Elektroden 20 bis 22 isoliert Die letzteren Elektroden 20 bis 22 sind an Masse angeschlossen.

Die Klemmen 13 bis 15 sind je mit der Orain-Elektrode dreier P-Kanal-IG-Feideffekttransistoren 23 bis 25 (Fet) verbunden, deren Source-Elektroden an eine Klemme 26 angeschlossen sind. An diese Klemme 26 ist der positive Pol einer Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. Die Source-Elektrode eines vierten Fet 27 ist ebenfalls an die Klemme 26 angeschlossen. Die Gate-Elektroden sämtlicher Fet's 23 bis 25, 27 sind gemeinsam an eine Klemme 28 angeschlossen, die über einen Widerstand 29 mit Masse verbunden ist. Die Drain-Elektrode des Fet's 27 ist ebenfalls an die Klemme 28 angeschlossen.

Die Drain-Elektrode des Fet's 23 ist mit einem Eingang eines NAN D-Gatters 30 verbunden, dessen Ausgang an einen Eingang eines weiteren NAND-Gatters 31 angeschlossen ist. Der Ausgang dieses weiteren NAND-Gatters 31 ist wiederum mit dem zweiten Eingang des ersten NAND-Gatters 30 verbunden. Diese beiden NAND-Gatter 30, 31 bilden ein an sich bekanntes RS-Flipflop. Die Fet's 24, 25 sind identisch mit weiteren Fiipflops 32,33 bzw. 34,35 beschaltet. Die Ausgänge der NAND-Gatter 30,32, 34 sind an je einen Eingang eines ODER-Gatters 36 angeschlossen, dessen Ausgang mit einer Klemme 37 verbunden ist. Jedem Flipfiop 30, 31 bzw. 32, 33 bzw. 34, 35 ist ein NOR-Gatter 38 bis 40 zugeordnet. Dabei ist jeweils der Ausgang der NAND-Gatter 30, 32, 34 mit Eingängen der den anderen Flipflops zugeordneten NOR-Gattern 38 bis 40 verbunden. Eine Klemme 41 ist je an einen dritten Eingang der NOR-Gatter 38 bis 40 angeschlossen. Die Ausgänge der NOR-Gatter 38 bis 40 sind je mit zweiten Eingängen der NAND-Gatter 31 bis 35 verbunden.

Der Ausgang des NAND-Gatters 31 ist über die Reihenschaltung zweier Inverter 42, 43 an den ersten Steuereingang eines Durchschalt-Gatter 44 angeschlossen. Solche Transmission-Gates sind in CMOS-Technik als Bauteile im Handel erhältlich. Der Verknüpfungspunkt der beiden Inverter 42, 43 ist an den zweiten, komplementären Steuereingang des Durchschalt-Gatter 44 angeschlossen. Die Schaltstrecke des Durchschalt-Gatter 44 verbindet zwei Klemmen 45, 46. Der Ausgang des NAND-Gatters 31 ist weiterhin über einen dritten Inverter 47 an eine Klemme 48 angeschlossen, die über eine Kontrolleuchte 49, vorzugsweise eine Leuchtdiode, mit Masse verbunden ist. Zwei mit dem System 42 bis 49 identische Anordnungen 50 bis 57 und 58 bis 65 sind an die Ausgänge der NAND-Gatter 33 und 35 angeschlossen.

Die Wirkungsweise der in der Figur dargestellten Anordnung besteht insbesondere darin, daß die Bauteile 23 bis 29 eine, bzw. drei Stromquellen darstellen. Die spezielle Anordnung wird als sogenannter Stromspiegei bezeichnet Der Strom durch den Widerstand 29 wird durch die an der Klemme 26 anliegende Versorgungsspannung, den Fet 27 und den Wert des Widerstands 29 bestimmt Das Verhältnis der Ströme durch den Fet 27 und den Fet 23, bzw. 24, bzw. 25 läßt sich durch Geometrievariationen der Fet's festlegen. Vorteilhaft geschieht dies dadurch, daß der Strom durch den Fet 27 größer im Vergleich zum Strom durch die übrigen Fet's 23 bis 25 gemacht wird. Dadurch kann der Widerstand 29 sehr klein dimensioniert bzw. mit integriert werden. Eine Integration des Widerstands 29 erscheint jedoch in solchen Fällen nicht als wünschenswert in denen durch verschiedene Dimensionierung dieses Widerstands 29 eine Anpassung des Systems an verschiedene Spannungsquellen erfolgen soll.

Zur weiteren Beschreibung seien die in der Digitaltechnik gebräuchlichen Ausdrücke !-Signal und 0-Signal definiert Dabei bedeutet ein 1-Signal ein Potential, das in der Größenordnung des Potentials des positiven Pols der Versorgungsspannung liegt ein O-Signal ein Potential, das ungefähr dem Massepotential entspricht. Im Anfangszustand liegen an den Ausgängen der NAND-Gatter 31, 33, 35 1-Signale und an den Ausgängen der NAND-Gatter 30, 32, 34 0-Signale. Da die Durchgangswiderstände der Kontaktflächenanordnungen 10 bis 12 sehr hoch sind, liegen an den Drain-Elektroden der Fet's 23 bis 25 jeweils 1-Signale. Über die Inverter 47,55,63, die im Bedarfsfalle auch als Verstärker ausgebildet sein können, sind die Kontrolleuchten 49, 57, 65 ausgeschaltet. Die Durchschalt-Gatter 44, 52, 60 sind gesperrt. Werden durch Berührung, z. B. durch einen menschlichen Finger, die Elektroden 17 und 20 überbrückt, so sinkt der Durchgangswiderstand durch die Kontaktflächenanordnung 10 weit unterhalb den Durchgangswiderstand des Fet's 23 ab, so daß an der Drain-Elektrode des Fet's 23 ein 0-Signal für die Dauer der Berührung anliegt. Dadurch wechselt der Ausgang des NAND-Gatters 30 auf ein 1 -Signal und der Ausgang des NAND-Gatters 31 auf ein 0-SignaI. Über den Inverter 47 leuchtet die Kontrolleuchte 49 auf, die anzeigt, daß die zugeordnete Kontaktflächenanordnung 10 betätigt wurde. An den beiden Steuereingängen des Transmission-Gate 44 liegen nun jeweils komplementäre Signale an, wodurch die Klemmen 45 und 46 leitend verbunden werden. Der Schalter wurde somit geschlossen. Mit dem Ende der Berührung der Kontaktflächenanordnung 10 ändert sich der Speicherzustand des Flipflops 30,31 nicht.

Wird nun eine der anderen Kontaktflächenanordnungen, z. B. die Kontaktflächenanordnung 11, betätigt, so erfolgen dort die gleichen Vorgänge, d. h., die Kontrolleuchte 57 leuchtet auf und der als Durchschalt-Gatter ausgebildete Schalter 52 wird geschlossen. Gleichzeitig wird über den Ausgang des NAND-Gatters 32, das nunmehr ein 1-Signal führt, und über das NOR-Gatter 38 das Flipflop 30, 31 zurückgesetzt, wodurch die Kontrolleuchte 49 wieder erlischt und der Schalter 44 wieder geöffnet wird. Mit jedem neuen Schaltvorgang wird somit der bisher gespeicherte Schaltvorgang rückgängig gemacht, was durch die zugeschalteten Kontrolleuchten 49, 57, 65 angezeigt wird. Die Zahl der parallel geschalteten Flipflop-Kontaktflächen-Schaltanordnungen ist natürlich nicht auf die Zahl drei beschränkt, sondern der integrierte

Schaltkreis 16 kann beliebig erweitert werden. Ebenso ist es möglich, mehrere solcher Schaltkreise 16 über die Klemmen 41, 37 miteinander zu verbinden, wobei jeweils die Klemme 37 des einen mit der Klemme 41 des anderen Schaltkreises verknüpft wird. Dadurch erfolgt "> bei Betätigen einer Kontaktflächenanordnung das Löschen auch der Speicherzustände der zugeschalteten Schaltkreise. Wird z. B. die Kontaktflächenanordnung 10 betätigt, so erscheint über den Ausgang des NAND-Gatters 30 und über das ODER-Gatter 36 an in der Klemme 37 ein 1-Signal, durch das über die Klemme 41 des nächsten Schaltkreises 16 und über die NOR-Gatter alle Flipflops zurückgesetzt werden. Es ist dadurch eine Normierung eines solchen integrierten oder auf einer Leiterplatte angeordneten Schaltkreises 16 möglich, und bei Bedarf kann eine beliebige Anzahl zusammengeschaltet werden.

Zur Gesamtintegration des Schaltkreises 16 müssen natürlich sämtliche verwendeten Gatter, Inverter und Durchschalt-Gatter vorzugsweise in CMOS-Technik ausgeführt sein. Diese Bauteile sind für sich als CMOS-Bausteine bekannt und im Handel erhältlich.

Statt der Integration des Gesamtsystems sind natürlich auch Ausführungen z. B. in Dünnschichttechnik möglich. In diesem Falle können die Kontaktflächenanordnungen 10 bis 12, sowie gegebenenfalls auch die Kontrolleuchten 49, 57, 65 als Leuchtdioden neben der elektronischen Schaltung auf eine Platine aufgebracht werden. Auch hier können dadurch genormte Platinen erreicht werden, die beliebig zusammenschaltbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronische Berührungsschaltvorrichtung, in der wenigstens ein Flipflop vorgesehen ist, das durch die Impedanzänderung bei Berührung einer aus wenigstens einer Kontaktfläche bestehenden Kontaktfläche steuerbar ist und mit einem dem Flipflop nachgeschalteten Durchschalt-Gatter, das durch Ausgangssignale des Flipflops steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flipflop (30, 31 bzw. 32, 33 bzw. 34, 35) in MOS-Technik ausgeführt ist und daß in Reihe zu der wenigstens einen Kontaktflächenanordnung (10,11,12) eine aus Fet's aufgebaute Stromquelle (23 bis 29) vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Stromquelle (Zs bis 29) ein Stromspiegel mit zwei durch ihre Gate-Elektroden verbundenen Fet's (27, 23 bzw. 27, 24 bzw. 27, 25) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Flipflop-Kontaktflächen-Schaltanordnungen vorgesehen sind, und daß jedem Flipflop (30,31 bzw. 32,33 bzw. 34,35) ein logisches Verknüpfungsgatter (38, 39, 40) zugeordnet ist, dessen Eingänge an die Ausgänge der übrigen Flipfiops angeschlossen sind und dessen Ausgang zur Rücksetzung des zugeordneten Flipflops mit diesem verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Verknüpfungsgatter eine ODER-Verknüpfung bildet

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Anzahl von Flipflop- Kontaktflächen-Schaltanordnungen einen zusammenhängenden Schaltkreis (16) bilden, daß die Ausgänge sämtlicher Flipflops (30, 31 bzw. 32, 33 bzw. 34, 35) über ein ODER-Gatter (36) an eine Ausgangsklemme (37) angeschlossen sind und daß to eine Eingangsklemme (41) mit je einem Eingang sämtlicher logischer Verknüpfungsgatter (38,39, 40) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (16) ein integrierter « Schaltkreis ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je einem Ausgang der Flipflops (30,31 bzw. 32,33 bzw. 34,35) eine Kontrolleuchte (49,57,65) zugeordnet ist.