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Berührungsgesteuerter Schalter"
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Berührungsgesteuerter Schalter Die Erfindung betrifft einen berührungsgesteuerten
Schaltor für elektrische Verbraucher, insbesondere Beleuchtungseinrichtungen, zum
Betrieb an einem Wechselstromnetz mit einem auf eine Berührung ansprechenden Sensor
und einer Steuerschaltung für einen Leistungsschalter.
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Schalter dieser Art werden beispielsweise in der Haus stallation aber
auch in Industriebetrieben zum Ein- bzw.
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Ausschalten von Verbrauchern benutzt, beispielsweise von Glühlampen,
Motoren, Alarmsignalen oder ähnlichen Geräten.
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Die Betätigung des Schalters lediglich durch Berührung eines Sensors
vereinfacht nicht nur die Bedienung sondern beseitigt auch Fehlerquellen und Abnutzungser3cheizungen,
die bei mechanisch bewegten Schaltgliedern auftreten.
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Bekannte Schalter der vorgenannten Art sind mit einer Dimmerschaltung
kombiniert, also einer Schaltung, die eine Regelung der dem Verbraucher zugeführten
Leistung mittels einer Phasenanschnittssteuerung ermöglicht. Dabei tritt Jedoch
der Nachteil einer verhältnismäßig komplizierten Steuerschaltung auf und dz außerdem
kannen sich Je nach dem Einschaltaugenblick hohe Einschaltströme einstellen. Das
gilt insbesondere für Glühlampen, deren Glühfaden im kalten Zustand einen um den
Faktor 10 niedrigeren Widerstand als bei der normalen Betriebstemperatur hat.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen berührungsgesteuerten
Schalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei geringstmöglichem Aufwand
das Auftreten hoher Einschaltstromst5ße vermeidet. Die Ldsung der Aufgabe ist im
Patentanspruch 1 angegeben.
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demgemäß den Schalter zu jedem beliebigen Zeitpunkt durch Berühren
des Sensors betätigen, die eigenthohe Einschaltung bzw. Ausschaltung des Verbrauchers
erfolgt Jedoch erst zu Beginn der auf die Betätigung folgenden Halbperiode der Wechselspannung.
Aufeinanderfolgende Betätigungen fuhren Jeweils abwechselnd zum Bin-bzw Äusschalten
des Verbrauchers, weil die den albleiterschalter steuernde, bistabile Kippschaltung
bei Jeder Berührung des Sensors in ihre Jeweils andere Lage gekippt wird. Das Einschalten
eines Verbrauchers und insbesondere einer Glühlampe im Nulldurchgang der Wechselspannung
bewirkt eine wesentliche Schonung, weil keine Stromspitzen mehr auftreten kennen.
Glühlampen halten dann wesentlich länger, auch dann wenn sie oft ein und ausgeschaltet
werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So kan die die Nulldurchgänge erfassende Schaltung ein D-Flipflop enthalten, dessen
Takteingang ein aus den positiven Halbwellen der Netzwechselspannung durch Begrenzen
abgeleitetes Tastsignal zugeführt ist und daß an den Dateneigand des Flipflops ein
Signal angelegt ist, das beim Berühren des Sensors auf einen vorgegebenen Wert geht.
Da solche D-Flipflops in integrierter Form zur Verfügung stehen, ist auf diese Weise
eine einfache Verwirklichung der Steuerschaltung möglich.
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Die Gewinnung dos an den Dateneingang des Flipflops angelegten, beim
Borühren des Sensors erzeugten Signal kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch
erfolgen, daß der Sensor über einen Kondensator an die Basis eines Transistors angeschaltet
ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke über einem Kondensator liegt, daß der Kondensator
über einen Widerstand mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung von einer zehntel
Sekunde auf eine der Betriebsspannung des Flipflops entsprechende Spannung aufgeladen
wird und daß die Spannung des Kondensators dem Dateneingang des Flipflops zugeführt
ist.
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Der Halbleiterschalter kann ein'Triac sein, also oin triggerbarer
Halbleiterschalter, der in beiden Richtungen leitet.
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Mit Vorteil liegt der gemeinsame Bezugspunkt der Stenerschaltung an
einem Netzspannungsanschluß und die Betriebsspannung der Steuerschaltung wird über
einen Gleichrichter mit Begrenzungswiderstand und nachgeschaltetem Glättungskondensator
gewonnen, der an den anderen Netzspannungsanschluß angelegt ist. pie Erzeugung der
Betriebsspannung für die Steuerschaltung erfordert dann nur geringsteg Aufwand.
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Schließlich kann in weiterer Ausbildung der Erfindung die Verwirklichung
der bistabilen Schaltung dadurch erfolgen, daß der komplementäre Ausgang des D-Flipflops
mit dem Takteingang eines weiteren D-Flipflops verbunden ist, dessen Dateneingang
mit seinem komplementären Ausgang verbunden ist und dessen Ausgang über einen Transistor
den Triac steuert.
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Nachfolgend wird ein Ausftihrungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben, die das Schaltbild des Ausführungsbeispiels zeigt.
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Die Netzwechselspannung liegt an den Anschlüssen 1 und 2, die beispielsweise
ein Stecker sein können, der über eine Leitung zum Schalter filhrt. Die Schaltung
läßt sich für alle üblichen Netz spannungen und -frequeazen auslegen, die noch erläutert
werden sollen. Beispielsweise kann der Schalter an ein Netz mit 220V, 50Hz (Europa)
oder auch an ein Netz mit 120V und 60Hz (USA) angeschlossen werden. Der Verbraucher,
hier als Glühlampe L angedeutet, liegt an Anschlüssen 3, 4, beispielsweise verwirklicht
durch eine Steckdose. Im Hauptstromkreis zwischon den Netzanschlüssen 1, 2 und dem
Verbraucher L befindet sich neben einer Sicherung Si ein steuerbarer Halbleiterschalter
in Form eines Triac Tr. Die übrigen
Bestandteile der Schaltungsanordnung
dienen dazu, den Triac Pr über seine Steuerleitung 5 einzuschalten bzw.
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ausgeschaltet zu lassen und damit den Verbraucher L ein-bzw. auszuschalten.
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Die Betriebs spannung UB der Schaltung wird aus der Netzspannung an
den Anschlüssen 1 und 2 über einen Vorwiderstand R1, eine Diode Dl und eine weitere
Diode D2 abgeleitet. Zwischen den beiden Dioden D1 und D2 führt eine Zenerdiode
zur gemeinsamen Bezugsleitung 6. Bei einer Zenerspannung von beispielsweise 5,6
V stehen dann an der Kathode der Zenerdiode D3 positive Rechteckimpulse mit einer
Spannung von 5,6V während der positiven Halbperioden der Netzwechselspannung an.
Die Rechteck impulse laden über die Diode D2 einen Glättungskondensator e7 auf eine
Spannung von ebenfalls etwa 5,6V auf.
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Diese Gleichspannung stellt die Betriebs spannung UB auf der Leitung
7 dar.
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Ein Kondensator C5 wird über einen Widerstand R4 von der Betriebsspannung
UB aufgeladen. Bei einem Wert für C5 von beispielsweise 0,1 µF und für R4 von beispielsweise
1,5 Mohm ergibt sich eine Zeitkonstante für den Aufladevorgang von 0,15 s. Die Entladung
des Kondensators C5 erfolg über die parallelgeschaltete Emitter-Kollektorstrecke
eines Transistors T1, wenn dieser bei Berühren des Sensors 8 eingeschaltet wird.
Der Sensor kann beispielsweise, wie in der Zeichnung angedeutet ist, eine Metallplatte
sein. Es kommen aber auch beliebige andere Teile in Frage, die wenigstens eine gewisse
elektrische Leitfähigkeit haben. Wena der Anschluß 2 mit der geerdoten Leitung des
Netzes verbunden ist, wie durch das Massesymbol angedeutet (gegebenenfalls muß der
Netzstecker umgepolt werden), so werden über den Kondensator C2 positive und negative
Spannungen an die Basis dos Transistors T1 angelegt. Der Widerstand R3 und der Kondensator
C4 sorgen für eine Begrenzung und Glättung.
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Bei der ersten positiven Halbperiode schaltet der Tran-
sistor
T1 ein und entlädt den Kondensator C5 sehr schnell auf eine Spannung von praktisch
0 V. Die Spannung am Kondensator C5 liegt auch am Dateneingang D eines D-Flipflops
FF1, dessen Takteingang CK von den positiven Impulsen an der Kathode der Zenerdiode
D3 als Taktsignal beaufschlagt wird.
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Der komplementäre Ausgang a des Flipflops FF1 ist mit dem Takteingang
CK eines weiteren D-Flipflops FF2 verbunden, dessen Dateneingang D an den komplementären
Ausgang Q angeschlossen ist. Der Ausgang Q des Flipflops FF2 ist über einen Stroabegrenzungswiderstand
R5 an die Basis eines Transistors T2 mit einem Arbeitswiderstand R6 geführt. An
den Rollektor des Transistors T2 ist die Steuerleitung 5 des Triacs Tr angeschaltet.
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Im Ruhezustand der Schaltung bei angelegter Betriebsspannung UB ist
der Kondensator C5 auf die Betriebsspannung aufgeladen. Das Flipflop FF1 ist dann
durch die positiven Impulse am Taktanschluß CK in einen Zustand gekippt worden,
in dem der Ausgang 5 auf niedriger Spannung (L) liegt. Wird dann der Sensor 8 berührt,
so entlädt der Transistor T1 den Kondensator C5, und am Anschluß D des Flipflops
FF1 steht praktisch die Spannung 0 an. Das entspricht niedriger Spannung (L). Bei
nächsten positiven Spannungsanstieg am Anschluß CK, also zu Beginn der nächsten
positiven Halbwelle der Netzwechselspannung kippt dann das Flipflop FF1 um, und
am Ausgang Q erscheint hohe Spannung (H). Dieser positive Spannungssprung, der dem
Takteingang CK des Flipflops FF2 zugeführt ist, kippt dann auch dieses Flipflop,
und zwar in den Jeweils anderen Zustand wegen der Rückführung des Ausgangs Q an
den Eingang D.
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Wenn der Transistor T1 weder sperrt, nachdem die Berührung des Sensors
8 autgehdrt hat, lädt sich der Kondensator C5 über den Widerstand R4 wieder auf.
Nach einer bestimmten Zeitspanne, die abhängig von der Zeit-
konstante
C5.R4, der Betriebsspannung UB und den Eigenschaften des Flipflops FF1 ist und beispielsweise
im Bereich von einer zehntel Sekunde liegen kann, ist die Spannung am Eingang D
des Flipflops FF1 so weit angestiegen, daß der nächste Taktimpuls das Flipflop weder
zurückkippen kann. Der Ausgang Q geht dann wieder auf L.
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Dieser negative Spannungssprung beeinflußt das Flipflop FF2 nicht.
Eine weitere Berührung des Sensors 8 wiederholt den beschrieben Vorgang und bringt
das Flipflop FF2 wiederum in die jeweils andere Lage.
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Nimmt man an, daß der Ausgang Q des Flipflops FF2 auf H ist, so leitet
der Transistor T2 und die Steuerleitung 5 des Triacs Tr hat praktisch das Potential
der Bezugsleitung 6. Unter diesen Bedingungen ist der Triac Tr ausgeschaltet. Wenn
das Flipflop FF1 nach dem Berühren des Sensors 8 zu Beginn der nächsten positiven
Halbperiode kippt und das Flipflop FF2 umschaltet, geht dessen Ausgang Q auf niedrige
Spannung (L). Der Transistor T2 schaltet dann aus und der Triac Tr wird durch die
Betriebsspannung UB über den Widerstand R6 eingeschaltet und bleibt eingeschaltet,
solange sich das Flipflop FF2 in dieser Lage befindet. Die Glühlampe L wird demgemäß
im Nulldurchgang eingeschaltet und es treten keine Spannungsa und Stromstöße auf.
Das gilt auch für das Ausschalten beim nächsten Berühren des Sensors 8, wodurch
auf die beschriebene Weiße das Flipflop FF2 wieder umkippt, den Transistor T2 einschaltet
und die Steuerleitung 5 auf das Potential der Bezugsleitung 6 herunterzieht.
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Die beiden Flipflops FF1 und FF2 kannen in Form einer integrierten
Schaltung vom Typ CD 4013 verwirklicht sein. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind
npn-Kleinsignaltransistoren. Der Kondensator C2 muß zur Vermeidung von Gefahren
eine spannungsfeste AusfUhrung sein und kann daher auch durch Reihenschaltung von
zwei Kondensatoren verwirklicht werden. Die Kapazität liegt
zweckmäßig
bei etwa 800pF. Der Widerstand R1 ist an die Jeweilige Netzspannung anzupassen.
Er soll so groß gewählt sein, daß der nötige Betriebsstrom für die Schaltung geliefert
werden kann. Die Diode D1 muß bezüglich ihrer Sperrspannung an die Netzspannung
angepaßt sein.
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Der maximal schaltbare Strom und damit die maximal zulästige Leistung
des Verbrauchers L hängt nur vom Schaltvermögen des Triacs Tr ab. Üblich sind Werte
von beispielsweise 4 Ampere, was bei einer Netzspannung von 220V einer Leistung
von etwa 900 Watt entspricht. Die Sicherung Si ist entsprechend iu wählen.