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Schaltungsanordnung für Berührungsschalter
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Berührungsschalter,
bei der die Anderung einer Grundkapazität, die zwischen einer Versorgungsspannung
und einer von einem Benutzer berührbaren Fläche liegt, zur Auslösung eines Schaltvorganges
dient, sowie ein Verfahren zum Schalten mit Hilfe von Impulsen, die von einer mit
ihrer einen Seite mit einer zu berührenden Fläche verbundenen Grundkapazität ausgehen.
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Es ist bekannt, die Anderung einer Grundkapazität, die zwischen der
Versorgungsspannung und einer vom Benutzer zu berührenden Fläche liegt, dazu zu
benutzen, einen Schaltvorgang auszulösen. Dabei besteht jedoch der Nachteil, daß
die Grundkapazität je nach Montageart unterschiedlich sein kann. Außerdem verändern
sich bei Temperaturschwankungen die Parameter der Bauteile, so daß sich die Empfindlichkeit
dieser Berührungsschaltungen verändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Empfindlichkeit
und die Auslöseschwelle unabhängig von der Montageart und von Temperaturschwankungen
sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art vor, bei der erfindungsgemäß die Versorgungsspannungsseite
der Grundkapazität an den einen Eingang eines Differenzverstärkers angeschlossen
ist, dessen zur Auslösung des Schaltvorganges dienender Ausgang auf den zweiten
Eingang des Differenzverstärkers in einer Gegenkopplung zurückgeführt ist.
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Durch diese Art der Rückführung der Ausgangssignale stellt sich die
Schaltschwelle der Berührungsschaltung automatisch auf den richtigen Wert ein und
reguliert sich von selbst wieder auf diesen Wert, falls irgendwelche Veränderungen
aufgetreten sind.
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In Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Rückführung über einen Widerstand
auf eine Kapazität erfolgt. Durch Auswahl der Werte des Widerstandes und der Kapazität
kann dafür gesorgt werden, daß sich die Schaltschwelle erst nach einer gewissen
Verzögerung wieder einstellt, so daß plötzliche Veränderungen für das Auslösen des
Schaltvorganges verwendet werden können.
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Da die Rückführung insbesondere zur Kompensierung von Einflüssen gedacht
ist, die bei Vorhandensein mehrerer Berührungsflächen für alle Berührungsflächen
gleich sind, schlägt die Erfindung als besonders günstig vor, daß eine Rückführschaltung
für die Differenzverstärker mehrerer Berührungsflächen vorgesehen ist.
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In Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Berührungsfläche bzw. die
Berührungsflächen von einer mit einer Schutzschaltung gekoppelten Ringfläche umgeben
ist, die bei Berühren zur Sperrung der Schaltung oder zum Nullsetzen führt. Damit
soll erreicht werden, daß beim versehentlichen Berühren, z.B. beim Putzen, die Berührungsflächen
der Eingangselemente gesperrt werden.
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Als besonders günstig hat es sich dabei herausgestellt, wenn die Zeitkonstante
der Schutzschaltung groß gegenüber den den übrigen Berührungsflächen zugeordneten
Zeitkonstanten ist.
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Die Erfindung schlägt ebenfalls ein Verfahren zum Schalten mit Hilfe
von Impulsen vor, die von einer mit ihrer einen Seite mit einer zu berührenden Fläche
verbundenen Grundkapazität ausgehen, wobei erflndungsqemaß die Impulse der Sekundärseite
der Grundkapazität in einen Differenzverstärker eingespeist und dessen zur Auslösung
des Schaltganges dienende Ausgangsimpulse in den zweiten Eingang des Differenzverstärkers
zurückgeführt werden.
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Dabei werden vorzugsweise die Ausgangsimpulse des Differenzverstärkers
über einen Widerstand auf eine Kapazität zurückgeführt.
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Bei Vorhandensein mehrerer Berührungsflächen mit mehreren Differenzverstärkern
werden erfindungsgemäß die Ausgangsimpulse eines Differenzverstärkers auf die Eingänge
mehrerer Differenzverstärker zurückgeführt.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Hierbei zeigen: Fig.l ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig.2 Impulszüge der Ausgangssignale des Differenzverstärkers; Fig.3 ein Schaltbild
einer weiteren Ausführungsform mit mehreren Berührungsflächen.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Schaltung liegt das Phasenpotential
der Netzspannung an Masse. An der Rethenschaltung aus dem Widerstand 11 und der
Grundkapazität 12 liest also die Netzspannung. Die Grundkapazität 12 enthält eine
Elektrode 13, die mit dem Widerstand 11 verbunden ist.
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Das Dielektrikum 14 der Grundkapazität ist schematisch dargestellt,
die zweite Elektrode der Grundkapazität 12 wird nicht durch eine metallische Fläche
gebildet, vielmehr bildet die Erde die zweite Elektrode. Die Außenseite 15 des Dielektrikums
14 kann von einem Benutzer mit der Hand oder einer Fingerspitze berührt werden,
was zu einer Vergrößerung der Grundkapazität 12 führt.
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Die Elektrode 13 ist mit dem mit plus gekennzeichneten Eingang 16
eines ersten Differenzverstärkers 17 verbunden, wobei der Differenzverstärker derart
ausgebildet oder geschaltet ist, daß er nur die positiven Halbwellen der Eingangsspannung
verstärkt. Der Ausgang 18 des Differenzverstärkers 17 ist über eine erste Diode
19 und einen Widerstand 20 mit dem Minuseingang 21 des Differenzverstärkers 17 verbunden.
Zwischen diesen Eingang 21 und die Masse 22 ist eine Parallelschaltung eines weiteren
Widerstandes 23 und eines Kondensators 24 geschaltet.
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Der Ausgang 18 des Differenzverstärkers 17 ist über eine zweite Diode
25 und einen Widerstand 26 an den Minuseingang 27 eines Spannungskomparators 28
geschaltet. Der Eingang 27 ist über einen Widerstand 29 mit der positiven Versorgungsspannung
der Verstärker 17 und 28 sowie über einen Widerstand 30 mit Masse verbunden. Parallel
zum Widerstand 29 liegt ein Kondensator 31.
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Der positive Eingang 32 des Spannungskomparators 28 ist mit Hilfe
einer aus zwei Widerständen 33, 34 bestehenden Spannungstellerschaltung auf eine
definierte Spannung gelegt.
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Der Ausgang 35 des Spannungskomperators 28 ist über einen Widerstand
36 an den positiven Eingang 32 zurückgeführt. Die am Ausgang 35 erscheinenden Signale
dienen zur Schaltung eines nicht näher dargestellten Flip-Flops o.dgl., was zur
Auslösung des eigentlichen Schaltvorganges führt.
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Die Wirkungsweise der in Fig.1 dargestellten Schaltung ist die Folgende.
Am Ausgang 18 des Differenzverstärkers 17 erscheinen positive Rechteckimpulse, die
von der Netzspannung ausgehen und synchron zu dieser verlaufen. Diese Rechteckimpulse
werden über die Diode 19 und den Widerstand 20 dazu benutzt, den Kondensator 24
aufzuladen, der sich in der Pause zwischen zwei Impulsen entlädt. Je breiter die
Impulse sind, desto höher wird die Spannung am Kondensator 24 und demementsprechend
am Eingang 21 des Differenzverstärkers. Dies verschiebt die Schaltschwelle des Verstärkers
in positiver Richtung, so daß nur noch die Spitzen der positiven Halbwellen verstärkt
werden. Dies führt zu einer Verringerung der Impulsbreite am Ausgang 18 des Differenzverstärkers
17, so daß nunmehr der Kondensator 24 weniger stark aufgeladen wird und dementsprechend
die Spannung am Eingang 21 nicht weiter ansteigt. Es stellt sich also ein stationärer
Zustand ein, der sich bei Veränderungen von Schaltelementparametern immer selbst
korrigiert. Die Kombination aus den Werten des Widerstandes 20, 23 und des Kondensators
24 ist so dimensioniert, daß bei Berührung der Berührungsfläche 15, was einer Vergrößerung
der Grundkapazität 12 entspricht, kurzzeitig breitere Impulse am Ausgang des Verstärkers
auftreten.
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Diese Ausgangsimpulse dienen ebenfalls dazu, den Kondensator 31 am
Eingang 27 des Spannungskomparators 28 zu entladen.
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Sind die Impulse schmal, so reichen sie nicht aus, den Kondensator
31 so weit zu entladen, daß eine Ausgangsspannung am Spannunskomparator 28 entsteht.
Werden die Impulse jedoch durch eine rasche änderung der Grundkapazität 12 breiter,
so wird der Kondensator 31 entladen, so daß eine Ausgangsspannung am Ausgang 35
des Spannungskomparators 28 entsteht, der zum Auslösen des Schaltvorganges, beispielsweise
durch Setzen eines Flip-Flops dient.
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In Fig.2 sind Impulszüge dargestellt, wie sie am Ausgang 18 des Differenzvertärkers
17 auftreten. Die Kurve I zeigt den Impulszug bei ungeänderter Grundkapazität 12.
Es ist zu sehen, daß die Impulse in regelmäßiger Folge wiederkehren und sehr schmal
sind.
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Die Kurve 2 zeigt die Impulszüge am Ausgang 18 des Differenzverstärkers
17, wobei zu dem durch den Pfeil 37 angedeuteten Zeitpunkt die Grundkapazität 12
durch Berühren mit der Fingerspitze schnell geändert wird. Dies führt zu einer Erhöhung
der Grundkapazität und damit zu einem Ansteigen der Spannung am Eingang 16, so daß
die Impulse am Ausgang 18 des Differenzverstärkers 17 breiter werden. Das Breiterwerden
der Impulse führt, wie beschrieben, zum Auslösen des Schaltvorganges. Aufgrund des
hochohmigen Widerstandes 20 wird der Kondensator 24 durch die breiteren Impulse
langsam aufgeladen, so daß ein langsames Ansteigen der Schaltschwelle des Verstärkers
herbeigeführt wird. Aus Fig.2 ist bei Kurve II zu sehen, daß nach einer gewissen
Zeit die Breite der Impulse den ursprünglichen Betrag erreicht.
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Da Anderungen der Betriebsparameter aufgrund von Temperaturdifferenzen
mit der sich langsam ändernden Temperatur ebenfalls langsam vor sich gehen, führt
eine derartige langsame Anderung der Grundkapazität 12 nicht zu einer Veränderung
der Breite der Impulse auf der Ausgangsleitung 18 und daher nicht zu einer Verschiebung
der Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung.
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In Fig.3 ist eine Schaltungsanordnung zu sehen, bei der insgesamt
drei Berührungsflächen vorhanden sind, deren Grundkapazitäten durch veränderbare
Kondensatoren 38,39 und 40 dargestellt sind. Die dem Kondensator 39 zugeordnete
Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der nach Fig.1, bei der dem Kondensator
38 und der entsprechenden Berührungfläche zugeordneten Schaltungsanordnung ist der
Differenzverstärker 59 gegenüber dem Verstärker 17 gegen-
polig
angeordnet, das gleiche gilt für die Diode 40.
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Der Ausgang 41 des Differenzverstärkers 59 ist über die Diode 40 und
einen Widerstand 42 ebenfalls an den negativen Eingang 27 des Komparators 28 angeschlossen.
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Wie sich aus Fig.3 insbesondere ergibt, ist der negative Eingang 21
des Differenzverstärkers 17 mit dem positiven Eingang 43 des Differenzverstärkers
59 parallelgeschaltet, so daß die Rückführung der Signale des Ausgangs 18 des Differenzverstärkers
17 auf die Eingänge 21 und 43 zweier Differenzverstärker erfolgt.
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Die dem dritten Kondensator 40 und der zugehörigen Berührungsfläche
zugeordnete Schaltungsanordnung ist analog zu der des Kondensators 39 aufgebaut,
sie enthält jedoch eine eigene Rückführung für die Signale auf dem Ausgang 45 des
Differenzverstärkers 46. Die Rückführschaltung weist eine Diode 47, zwei Widerstände
48 bzw.49 und einen Kondensator 50 auf. Die Rückführung erfolgt ebenfalls in den
negativen Eingang 51 des Verstärkers 46.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel soll die dem Kondensator 40 zugeordnete
Berührungsfläche eine die Berührungsflächen der Kondensatoren 38 und 39 umgebende
Ringfläche sein, deren Berühren zu einem Blockieren der Kondensatorflächen 38 und
39 führt. Um dafür zu sorgen, daß ein Berühren dieser Ringfläche zu einem relativ
langen Blockieren der beiden übrigen Berührungsflächen führt, besitzt die Rückführschaltung
48,49,50 eine Zeitkonstante, die groß gegenüber der Zeitkonstante der Rückführschaltung
20,23,24 ist.
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Eine hier beschriebene Berührungsschaltungsanordnung kann vorteilhafter
Weise für das Einschalten von Warmhalteplattenflächen bei Glaskeramikkochfldchen
verwendet werden.