ES2261536T3 - Circuito electrico para un elemento de sensor capacitivo. - Google Patents
Circuito electrico para un elemento de sensor capacitivo.Info
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Abstract
Circuito eléctrico para al menos un elemento de sensor capacitivo, en particular un conmutador de contacto, en el que: - el circuito está formado como circuito de capacidad conmutada para el elemento de sensor y presenta un microcontrolador (13, 113), - en el que el elemento de sensor (CS) se encuentra en una rama de sensor (17, 117) con un condensador de carga (CL), el cual es cargado con la carga del elemento de sensor (CS) hasta una determinada tensión, - la rama de sensor (17, 117) está conectada con el microcontrolador (13, 113), - el microcontrolador (13, 113) presenta un circuito de referencia (15, 115) con un condensador de carga de referencia (CRL) y una capacidad de referencia (CR), la cual está en una relación conocida con el elemento de sensor (CS) en el estado no accionado, y la capacidad de referencia y el elemento de sensor son aproximadamente iguales, - el microcontrolador (13, 113) compara el número de procesos de carga en la rama del sensor (17, 117) con el número de procesos de carga en el circuito de referencia (15, 115) hasta que se alcanza una determinada tensión, - en el que la capacidad de referencia (CR) corresponde, aproximadamente, a la capacidad del elemento de sensor (CS).
Description
Circuito eléctrico para un elemento de sensor
capacitivo.
La presente invención se refiere a un circuito
eléctrico para al menos un elemento de sensor capacitivo. En
particular se debe controlar con el circuito un elemento de sensor
de este tipo de un conmutador de contacto y debe evaluarse y
reconocerse un accionamiento que haya tenido lugar.
Un circuito de este tipo de conoce por ejemplo
gracias al documento DE 197 06 167 A1. En este caso, la complejidad
del circuito está ya relativamente reducida. Sin embargo, se aspira
a continuar reduciendo la complejidad del circuito.
La invención se plantea el problema de crear un
circuito mencionado al principio con el cual se continúe reduciendo
la complejidad de técnica de circuitos para el control y la
evaluación de un elemento de sensor capacitivo. Además, hay que
mejorar la propensión a sufrir averías, en especial también en caso
de oscilaciones de la tensión de suministro para el circuito.
Este problema se resuelve mediante un circuito
con las características de la reivindicación 1. Los
perfeccionamientos ventajosos así como preferidos de la invención
son el objeto de las restantes reivindicaciones y se explican a
continuación con mayor detalle. El texto de las reivindicaciones se
hace con referencia explícita al contenido de la descripción.
Según la invención el circuito está formado como
un circuito de capacidad conmutada en sí conocido para el control y
la evaluación del elemento de sensor. Para ello presenta un primer
microcontrolador. El elemento de sensor está situado en una rama de
sensor como parte del circuito. La rama de sensor presenta además el
condensador de carga. En el principio del circuito de capacidad
conmutada se carga en el primer paso el elemento de sensor y en un
segundo paso el condensador de carga de nuevo con la carga del
elemento de sensor. La capacidad del elemento de sensor se ha
elegido al mismo tiempo notablemente menor que la del condensador de
carga. De este modo es necesario un gran número de procesos de
traslado hasta que el condensador de carga se ha cargado
suficientemente como para que se haya alcanzado una tensión
determinada en el condensador de carga. Esta tensión determinada es
preferentemente el umbral de conexión del microcontrolador o del
circuito, si bien puede ser también otra tensión.
Si se acciona el elemento de sensor, aumenta
notablemente la capacidad. Gracias a ello puede alojar más carga y
el número de procesos de traslado necesarios en el condensador de
carga, hasta alcanzar el umbral de conexión, desciende notablemente.
Este número reducido de procesos de traslado es detectado y evaluado
como accionamiento del elemento de sensor o del conmutador de
contacto.
Para la mejora según la invención, el circuito o
el microcontrolador presentan un circuito de referencia, en el cual
existe una capacidad de referencia. Esta capacidad de referencia se
encuentra en una relación conocida con respecto al elemento de
sensor en el estado no accionado. Además, está previsto un
condensador de carga de referencia en el circuito de referencia. Con
ello se forma una así llamada rama de referencia.
Según la invención la capacidad de referencia se
carga, se forma similar a lo que sucede con el elemento de sensor,
en un primer paso. Esta carga es trasladada, en un segundo paso, al
condensador de carga de referencia hasta que se ha alcanzado el
umbral de conexión en el condensador de carga de referencia. La
relación entre la capacidad de referencia y el elemento de sensor es
conocida. De este modo, se puede comparar en cada caso el número de
procesos de traslado en la rama de referencia, calculado en la
relación entre el elemento de sensor y la capacidad de referencia,
con el número de procesos de traslado en la rama de sensor. Con ello
se puede eliminar una oscilación de la tensión de suministro y, por
consiguiente, del umbral de conexión. Por consiguiente se puede
alcanzar, según la invención, una mayor seguridad contra
perturbaciones del circuito con una realización muy sencilla. La
mayor independencia con respecto a las oscilaciones de la tensión de
suministro tiene, en especial, la ventaja de que el suministro de
corriente del circuito puede estar formado de una manera más
sencilla. Esto puede ahorrar una notable complejidad. Como se puede
reconocer también aquí, la gran ventaja de un circuito de referencia
de este tipo radica en que se pueden reprimir o compensar de una
forma y manera diferente las influencias perturbadoras. Por ejemplo,
se puede compensar una deriva de la temperatura, debido a que el
condensador de carga y el condensador de carga de referencia derivan
en la misma dirección.
Usualmente la oscilación de la tensión de
suministro tiene la desventaja de que por ella está afectado también
el umbral de conexión. Si el umbral de conexión oscila, oscila el
número de procesos de traslado necesarios. Esto dificulta de nuevo
la detección clara de un accionamiento. La oscilación de la tensión
de suministro puede alcanzar, en circuitos sencillos, hasta un 20%.
Esto tiene ya una influencia que se puede percibir con claridad
sobre el umbral de conexión y, por consiguiente, sobre la precisión
de funcionamiento de, por ejemplo, un conmutador de contacto.
En lugar del umbral de conexión se puede tomar
como valor de comparación, también, como se ha explicado más arriba,
una tensión discrecional. De este modo se puede tomar, por ejemplo
con un comparador o un conversor AD, también otro valor. El umbral
de conexión puede estar situado al alcanzar una tensión determinada
de 0 voltios. Alternativamente, puede ser alcanzado mediante una
tensión descendiente de, por ejemplo, 5 voltios.
La capacidad de referencia puede, por un lado,
estar prevista en el propio microcontrolador, por ejemplo ya de
forma específica al tipo constructivo. Aquí es necesario únicamente,
establecer la capacidad de referencia para un tipo determinado de
microcontrolador o determinar la relación de la capacidad con
respecto al elemento de sensor mencionada con anterioridad.
Alternativamente puede estar previsto como
capacidad de referencia un condensador de referencia. Aquí se ofrece
la posibilidad de realizar el circuito de referencia en una rama de
referencia separada. Esta puede estar formada de manera ventajosa,
esencialmente, idéntica a su rama de sensor. Para ello la capacidad
de referencia puede estar prevista como condensador conectado a
masa. Además está contenido el condensador de carga de referencia,
cuya capacidad corresponde preferentemente a la del condensador de
carga de la rama de sensor.
Preferentemente, se elige la capacidad de
referencia, en especial como condensador de referencia separado,
aproximadamente con el orden de magnitud del elemento de sensor no
accionado. De forma especialmente preferida, son iguales. Gracias a
ello resulta un número en sí igual de procesos de traslado en el
estado no accionado del elemento de sensor para alcanzar el umbral
de conexión.
Una capacidad como ésta del elemento de sensor o
del condensador de referencia puede ser, en el estado no accionado,
de unos pocos pF. Aquí se consideran ventajosos aprox. 5 pF. La
capacidad del condensador de carga se elige de nuevo notablemente
mayor. Por ejemplo, está comprendida entre 10 nF y un \muF. Como
especialmente ventajosos se consideran aquí aproximadamente 100 nF.
La tensión de suministro del microcontrolador mencionada con
anterioridad debería estar, de forma ventajosa, a 5 voltios.
En otro perfeccionamiento de la invención un
microcontrolador puede presentar varias ramas de sensor. De este
modo es posible prever, con un microcontrolador, varios elementos de
sensor, por ejemplo, una unidad se control en sí cerrada con un gran
número de conmutadores de contacto.
Además, el circuito puede presentar al menos una
resistencia para mejorar las propiedades de compatibilidad
electromagnética. De este modo se pueden amortiguar perturbaciones.
De forma ventajosa se prevé la resistencia en el circuito de
referencia. Además es posible prever una resistencia en la rama de
sensor.
Como elemento de sensor se puede utilizar
fundamentalmente un elemento de sensor capacitivo discrecional. De
forma ventajosa es un cuerpo tridimensional que varía su forma
espacial realizado en plástico conductor, por ejemplo, material
celular. Un elemento de sensor está formado de manera especialmente
adecuada para ser comprimido en el lado inferior de una cubierta. Al
mismo tiempo el lado superior de la cubierta puede formar una
superficie de contacto para el conmutador de contacto.
En una forma de realización posible de la
invención pueden estar conectadas varias ramas de sensor en cada
caso a entradas o puertas propios del microcontrolador. Esto se
elige de forma ventajosa cuando el número de ramas de sensor no es
especialmente grande, por ejemplo de dos a cuatro.
En una forma de realización alternativa de la
invención, en especial con un gran número de ramas de sensor, pueden
conectarse con el microcontrolador varias ramas de sensor a través
de conmutadores con un procedimiento de multiplexado. Esto hace
posible en sí un gran número de ramas de sensor o elementos de
sensor por microcontrolador. Como conmutadores pueden utilizarse
tipos diferentes. Son ventajosos los conmutadores analógicos.
Asimismo, se pueden utilizar también transistores o relés. Prever
este tipo de conmutadores así como una multiplexación no es
excesivamente complejo. De forma ventajosa está previsto aquí que
también el circuito de referencia esté conectado, a través de un
conmutador, con el microcontrolador, no siendo aquí necesaria
multiplexación alguna. Gracias a ello se pueden compensar influencia
de los conmutadores, los cuales por regla general presentan por
ejemplo una capacidad determinada.
Esta y otras características se deducen, además
de las reivindicaciones, también de la descripción y de los dibujos,
en los cuales las características individuales pueden estar
realizadas, en cada caso, por sí solas o en grupo en forma de
subcombinaciones en una forma de realización de la invención y en
otros campos y pueden representar realizaciones ventajosas así como
susceptibles de protección por sí mismas, para las cuales se
solicita protección en la presente memoria. Los ejemplos de formas
de realización de la invención están representados en los dibujos y
se explican a continuación con mayor detalle.
En los dibujos están representados ejemplos de
forma de realización de la invención y se explican a continuación
con mayor detalle. En los dibujos:
la Fig. 1 muestra una representación
esquemática de un circuito con rama de sensor y rama de referencia
durante la descarga de los condensadores,
la Fig. 2 muestra el circuito de la Fig. 1
durante la carga del elemento de sensor,
la Fig. 3 muestra el circuito de la Fig. 2
durante el traslado del elemento de sensor al condensador de carga,
y
la Fig. 4 muestra un ejemplo de circuito
con un gran número de ramas de sensor, las cuales están conectadas
con el microcontrolador a través de conmutadores analógicos y
multiplexación.
Los ejemplos de circuito de las Figuras deben
entenderse esquemáticamente y están limitados a lo funcionalmente
necesario, para entender y explicar la invención.
En las Figs. 1 a 3 está representado en cada
caso un circuito 11 el cual está formado según un ejemplo de
realización de la invención. Al mismo tiempo está previsto un
microcontrolador 13, el cual está conectado con una tensión de
suministro VS. En dos puertos del microcontrolador 13 está
conectada, por el lado izquierdo, una rama de referencia 15. Ésta
consta de un condensador de carga de referencia C_{RL} así como de
un condensador de referencia C_{R} conectado a masa.
En el lado derecho del microcontrolador 13 está
conectada, a dos puertos adicionales, una rama de sensor 17. Aquí
pueden estar previstas también otras ramas de sensor formadas
idénticas.
La rama de sensor 17 presenta, de una manera que
corresponde a la rama de referencia 15, un condensador C_{L} como
condensador de carga. Además presenta el elemento de sensor C_{S}.
Éste está representado en parte mediante trazos. Con ello quiere
ponerse de manifiesto que esencialmente únicamente en el estado
accionado, es decir cuando por ejemplo un dedo de un usuario está en
contacto, el elemento de sensor C_{S} es un condensador conectado
a masa.
La tensión de suministro VS puede estar en el
margen de 5 voltios. Las capacidades de los condensadores de carga
C_{L} y C_{RL} pueden estar en 100 nF. Las capacidades de los
elementos de sensor C_{S} así como del condensador de referencia
C_{R} pueden estar, por ejemplo, en 5 pF.
Mediante las líneas de puntos en el
microcontrolador 13 se pueden representar diferentes estados
internos de cableado. En la Fig. 1 está representado como son
descargadas todas las capacidades. En la Fig. 2 se puede reconocer
como en cada caso los elementos de sensor C_{S} y la capacidad de
referencia C_{R} son cargado a la tensión de suministro VS.
En el siguiente paso en la Fig.3 se traslada la
carga desde los elementos de sensor C_{S} y la capacidad de
referencia C_{R} a, en cada caso, los condensadores de carga
C_{L} y C_{RL}. Dado que la capacidad de los condensadores de
carga es varias veces mayor, para los valores elegidos un factor
20.000, son necesarios algunos miles de procesos de carga para
alcanzar el umbral de conexión del microcontrolador 13. Éste está,
por regla general, a aproximadamente 1,3 voltios. Por lo tanto, tan
pronto como, después de un número suficiente de procesos de traslado
suficiente, los condensadores de carga están cargados a 1,3 voltios,
el microcontrolador conmuta. El número de procesos de traslado se
puede determinar previamente.
Si se acciona ahora el elemento de sensor
C_{S}, entonces aumenta claramente su capacidad. Esto significa
que su capacidad es notablemente mayor que la de la capacidad de
referencia C_{R}. Con ello se puede almacenar durante los procesos
de carga una carga mayor, la cual entonces es trasladada a los
condensadores de carga C_{L}. Por consiguiente se puede trasladar,
en el estado accionado del elemento de sensor C_{S}, con menos
proceso de traslado más carga a los condensadores de carga. De este
modo alcanza éste el umbral de conexión, con un número menor de
procesos de traslado que en la rama de referencia. Dado que con ello
ya no hay que determinar el número absoluto de procesos de traslado,
sino que hay que comparar únicamente el número de procesos de
traslado en las ramas de sensor con los de la rama de referencia, se
pueden desconectar influencias de la oscilación de la tensión de
suministro sobre el umbral de conexión. Por lo demás se puede
reconocer que el circuito 11 funciona, esencialmente, según el
principio de circuito de capacidad conmutada.
Al microcontrolador 13 puede estar conectado un
gran número de ramas de sensor 17, en tanto en cuanto haya todavía a
disposición puertos libres.
Mediante el circuito según la invención
representado no se utiliza ya el umbral de conexión como valor
absoluto. Mediante la comparación con la rama de referencia, cuyos
valores están en una relación conocida con la rama del sensor o en
un estado de accionamiento son idénticos a ellos, el umbral de
conexión del microcontrolador sirve para las dos ramas de circuito
como valor de referencia y por consiguiente su magnitud absoluta no
es decisiva.
En otro perfeccionamiento de la invención es
también posible no prever el condensador de referencia C_{R} como
elemento discreto. Se podría aprovechar también una capacidad
existente en el microcontrolador 13, que no se puede evitar por
completo. Incluso cuando ésta presenta otra capacidad diferente a la
del elemento de sensor C_{S}, se puede al menos determinar la
relación de las dos entre sí. Esta relación se puede incorporar a la
comparación del número de procesos de traslado necesarios hasta
alcanzar el umbral de conexión.
Otra posibilidad de accionar varias ramas de
sensor en un microcontrolador 13, sin que éste presente un gran
número de puertos, está representada en la Fig. 4. Aquí están
previstas varias ramas de sensor 117. Estas están conectadas en cada
caso mediante conmutadores analógicos 119 con un puerto del
microcontrolador 113. Los conmutadores analógicos 119 son
controlados a través de un control 120. Este control tiene lugar, de
manera ventajosa, tras un proceso de multiplexado, en el que no hay
que entrar aquí con mayor detalle, dado que se puede realizar de una
forma conocida. Con un circuito 111 de este tipo según la Fig. 4 se
pueden accionar un gran número de elementos de sensor C_{S} en un
microcontrolador 113 sencillo.
En las ramas de sensor están previstos, además
de los elementos de sensor C_{S}, resistencias 122 así como
condensadores 123 para la mejora de las propiedades de perturbación,
en especial las propiedades de compatibilidad electromagnética. El
condensador de carga C_{L} está previsto de forma conocida.
Para que la rama de referencia 115 se comporte
de nuevo de manera esencialmente idéntica respecto de las ramas de
sensor 117, está previsto en ésta, además del condensador de
referencia C_{R} y el condensador de carga de referencia C_{RL},
un conmutador analógico 119. Éste puede permanecer, sin embargo,
permanentemente cerrado, dado que no se ve afectado por la
multiplexación.
Otra ventaja de las ramas de referencia 15 y 115
previstas reside en que es posible una compensación de la
sensibilidad a la temperatura de los condensadores de carga
C_{L}.
De forma ventajosa tiene lugar una medición en
el pasaje por cero de la tensión de red. Esto tiene la ventaja,
sobre todo en el caso de partes de la red que no están separadas
galvánicamente, de que la diferencia de potencial entre el elemento
de sensor y masa, la cual está por ejemplo en el marco de montaje de
una zona de calentamiento, es muy pequeña o va a cero.
Un elemento de sensor que se puede utilizar de
forma ventajosa está descrito, por ejemplo, en el documento DE 197
06 168 A1.
Claims (12)
1. Circuito eléctrico para al menos un
elemento de sensor capacitivo, en particular un conmutador de
contacto, en el que:
- -
- el circuito está formado como circuito de capacidad conmutada para el elemento de sensor y presenta un microcontrolador (13, 113),
- -
- en el que el elemento de sensor (C_{S}) se encuentra en una rama de sensor (17, 117) con un condensador de carga (C_{L}), el cual es cargado con la carga del elemento de sensor (C_{S}) hasta una determinada tensión,
- -
- la rama de sensor (17, 117) está conectada con el microcontrolador (13, 113),
- -
- el microcontrolador (13, 113) presenta un circuito de referencia (15, 115) con un condensador de carga de referencia (C_{RL}) y una capacidad de referencia (C_{R}), la cual está en una relación conocida con el elemento de sensor (C_{S}) en el estado no accionado, y la capacidad de referencia y el elemento de sensor son aproximadamente iguales,
- -
- el microcontrolador (13, 113) compara el número de procesos de carga en la rama del sensor (17, 117) con el número de procesos de carga en el circuito de referencia (15, 115) hasta que se alcanza una determinada tensión,
- -
- en el que la capacidad de referencia (C_{R}) corresponde, aproximadamente, a la capacidad del elemento de sensor (C_{S}).
2. Circuito según la reivindicación 1,
caracterizado porque la capacidad de referencia está prevista
en el microcontrolador (13, 113).
3. Circuito según la reivindicación 1,
caracterizado porque la capacidad de referencia es un
condensador de referencia (C_{R}) separado y el circuito de
referencia una rama de referencia (15, 115) separada.
4. Circuito según la reivindicación 3,
caracterizado porque la rama de referencia (15, 115) está
formada esencialmente idéntica a la rama de sensor (17, 117).
5. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la capacidad de referencia
(C_{R}) y la capacidad del elemento de sensor (C_{S}) son
preferentemente iguales.
6. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la capacidad del elemento de
sensor (C_{S}) en el estado no accionado es de algunos pF,
preferentemente aproximadamente
5 pF.
5 pF.
7. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la capacidad del condensador
de carga (C_{L}), en particular también del condensador de carga
de referencia (C_{RL}), está comprendida entre 10 nF y 1 \muF,
preferentemente en aproximadamente 100 nF.
8. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el microcontrolador (13,
113) presenta varias ramas de sensor (17, 117).
9. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque presenta una resistencia
(122) en el circuito (11, 111) para la mejora de las propiedades
compatibilidad electromagnética, estando prevista la resistencia
preferentemente al menos en el circuito de referencia (15, 115).
10. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el elemento de sensor
(C_{S}) es un cuerpo tridimensional, que varía su forma espacial,
realizado en plástico conductor, en el que el elemento de sensor
está formado preferentemente para estar en contacto con el lado
inferior de una cubierta, formando el lado superior de la cubierta
una superficie de contacto para un conmutador de contacto.
11. Circuito según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque varias ramas de sensor (17)
están conectadas en cada caso a unas entradas propias del
microcontrolador (13).
12. Circuito según una de las reivindicaciones
1 a 10, caracterizado porque varias ramas de sensor (117)
están conectadas en cada caso a través de un conmutador analógico
(119) con multiplexado con el microcontrolador (113), estando
conectado también el circuito de referencia (115), a través de un
conmutador analógico (119), con el microcontrolador.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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