PL222918B1 - Wyłącznik elektroniczny dotykowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wyłącznik elektroniczny dotykowy gdzie impulsem wyzwalającym czynność włączenia-wyłączenia obwodu elektrycznego jest dotknięcie do płytki czujnikowej lub do warstwy na płytce czujnikowej. Wyłącznik stanowi element wykonawczy w obwodach sterowania urządzeniami elektrycznymi, takimi jak włączniki i wyłączniki oświetlenia, układy wywoławcze na wejściach do klatek schodowych lub w obwodach sterowania innych układów elektrycznych i elektronicznych.

Znanych jest szereg rozwiązań wyłączników elektronicznych dotykowych. Cechą charakterystyczną tych rozwiązań jest ich reakcja na dotknięcie płytki czujnikowej. Najszerzej tego rodzaju ro związania stosowane są jako urządzenia wywoławcze na wejściach do klatek schodowych budynków mieszkalnych, a także jako elementy bezpośredniego sterowania we wszelkich urządzeniach elektronicznych i elektrycznych bezpośredniego dostępu, gdzie jednym z podstawowych parametrów stawianych tego typu urządzeniom jest odporność na celowe zniszczenie. Jednakże znane rozwiązania takich włączników i wyłączników pozwalają na wykorzystanie jako płytki dotykowej, warstwy materiału przewodzącego o stosunkowo niewielkiej grubości.

Znane rozwiązanie dotykowego przełącznika elektrycznego przedstawiono w opisie patentowym USA nr US 4,289,980. Według tego znanego rozwiązania przełącznik posiada wejściowy czujnik reagujący na dotyk. Ręczny kontakt jest wykrywany przez wejście CMOS przez jednokrotne włączenie multiwibratora, gdy został on użyty do przełączania przerzutnika do pozycji włącz wyłącz. Wyjście przerzutnika jest połączone z obwodem progowym krzemowego prostownika, którego włączenie jest przerywane przez obwód obciążenia.

Inne znane rozwiązanie dotykowego przełącznika pojemnościowego przedstawiono w opisie patentowym USA nr 5,933,102. Ujawniono tam układ czujnika dotykowego, reagującego na dotyk, a nawet na bliskość obiektu. Przełącznik według tego znanego rozwiązania zawiera szereg elementów pojemnościowych, które generują pojemność przy bezpośredniej fizycznej bliskości obiektu. Mikrokontroler sterowany programem zapisanym w pamięci tylko do odczytu ustawia przejściowe napięcia na każdym elemencie pojemnościowym na poziomie logicznym. Każde występujące napięcie jest w opozycji do programowanego poziomu napięcia na elemencie pojemnościowym. Program odczytuje poziomy logiczne pierwiastków pojemności i reaguje aby przywrócić preferowane napięcia na elementach pojemnościowych i odczytuje bliskość obiektu lub dotknięcie, w zależności od wzajemnego stosunku pomiędzy odczytanymi sygnałami. Układ może być również zrealizowany w konkretnym układzie scalonym.

W kolejnym rozwiązaniu systemu czujnika dotykowego, znanym z opisu patentowego nr US 7,069,357 przedstawiono znany system czujników dotyku i sposób działania tego systemu wykrywającego dotyk osoby. Źródłem zasilania jest tu napięcie wyjściowe prądu stałego. To źródło napięcia jest odniesione do potencjału ziemi. Przetwornik analogowo cyfrowy oraz czujnik jest tu włączony w obwód ograniczający wskaźnik impedancji i połączony jest z układem impedancji obwodu ograniczającego. Czujnik dotykowy sprzężony jest pojemnościowo z zasilaczem. Wyjście sygnału z czujnika dot ykowego jest monitorowane i zapisywane w pamięci. Brak kontaktu z czujnikiem dotykowym ze strony użytkownika jest wyzywany przez system gdy przebieg fali napięcia jest mniejszy niż dwukrotność wysokości fali odniesienia i jest wykrywany gdy przekracza tę wartość.

W rozwiązaniu znanym z opisu patentowego polskiego zgłoszenia wynalazku nr P 380232 zaproponowano sposób i układ do realizacji bezstykowego czujnika dotyku. Rozwiązanie to ma przeznaczenie do stosowania w układach elektronicznych dla wykrywania dotyku w celu realizacji funkcji przełączania. W szczególności ten znany układ przeznaczony jest do realizacji bezs tykowych klawiatur. Według tego znanego rozwiązania sposób detekcji dotyku polega na wykrywaniu impulsów poprzez pojemność warstwy izolacyjnej pomiędzy użytkownikiem znajdującym się w stałym potencjale, a detektorem impulsów. Detektor impulsów zawiera wzmacniacz i komparator, których dodatni i ujemny potencjał zasilania są cyklicznie przełączane pomiędzy masą układu współpracującego z detektorem a potencjałem wysokim o wartości od 10V do 40V. W wyniku takiego przełączania stały potencjał przyłożonych przez użytkownika poprzez pojemność izolatora na wejście wzmacniacza, powoduje wygenerowanie impulsu na wyjściu komparatora w momencie zmiany ujemnego potencjału zasilającego wzmacniacz i komparator. Wysoki potencjał zasilania wzmacniacza i komparatora jest połączony przez diodę z wysokim potencjałem zasilania układu sterującego. W tym znanym zgłoszeniu patentowym przedstawiono także układ do bezstykowego czujnika dotyku. Ten znany układ zawiera pojemPL 222 918 B1 nościowy element czujnikowy którego pojemność zmienia się zgodnie ze sposobem pobudzania. Układ zawiera zbiorczy kondensator, pierwszy sterowany element łączący, który zasila pojemnościowy element czujnikowy napięciem ładowania zgodnie z sygnałem sterującym. Natomiast drugi st erowany element łączący łączy pojemnościow y element czujnikowy ze zbiorczym kondensatorem zgodnie z sygnałem sterującym, dla przekazywania ładunku z pojemnościowego elementu czujn ikowego do tego zbiorczego kondensatora. Napięcie ładowania może być napięciem przemiennym, natomiast elementy łączące mogą być zasilane przez napięcie przemienne tak, że pierwszy element łączący i drugi element łączący przewodzą naprzemiennie. Według tego znanego rozwiązania trzy pola czujników dotyku osłonięte izolatorem są połączone z wejściami trzech wzmacniaczy, których wspólne zsumowane wyjście jest połączone z komparatorem. Wzmacniacze są zasilane przez wyjścia multipleksera. Wybór zasilania wzmacniacza dokonywany jest poprzez wybranie odpowiedniego a dresu multipleksera przez zewnętrzny układ sterujący. W wyniku przełączania ujemnego potencjału zasilania wzmacniaczy, komparatora i multipleksera pomiędzy masą układu sterującego a wysokim potencjałem na wyjściu wzmacniacza, do wejścia którego zbliżony jest palec użytkownika, generow any jest impuls napięciowy, który przez komparator i transoptor doprowadzany jest do zewnętrznego, układu sterującego. Zasilanie układów jest podtrzymywane przez diodę i kondensator.

W znanych dotąd układach wyłączników dotykowych, pole kontaktowe czujnika dotyku znajdowało się bezpośrednio przy wyjściu wzmacniacza w układzie wykonawczym. Znany układ nie nadawał się do zabudowania w ścianie, z uwagi na konieczność dostępu do elementów składowych układu wykonawczego.

Według wynalazku wyłącznik elektroniczny dotykowy zawiera moduł czujnika zamocowany pod warstwą dotykową i połączony z modułem wykonawczym. Moduł wykonawczy stanowi układ elektroniczny do którego doprowadzone jest zasilanie i z którego wyjścia wyprowadzony jest co najmniej jeden tor sygnału roboczego do co najmniej jednego odbiornika. Wyjście modułu czujnika połączone jest z wejściem wzmacniacza stanowiącego element składowy mikrokontrolera, gdzie wyjście wzmacniacza połączone jest z jednym wejściem komparatora. Wyjście komparatora jest połączone z wejściem transoptora, którego wyjście połączone jest z wejściem mikrokontrolera. Wejście sterujące klucza połączone jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera. Dodatni potencjał zasilający układy wzmacniacza oraz komparatora połączony jest z wyjściem izolowanego galwanicznie źródła zasilania.

Według wynalazku, włącznik elektroniczny dotykowy charakteryzuje się tym, że wyjście modułu czujnika połączone jest z wejściem wzmacniacza w module wykonawczym za pośrednictwem przewodu koncentrycznego oraz kondensatora, przy czym w module wykonawczym drugie wejście komparatora połączone jest z wyjściem przetwornika cyfrowo-analogowego mikrokontrolera, zaś ujemny potencjał zasilający wzmacniacz, komparator oraz transoptor, jest połączony poprzez klucz z ujemnym potencjałem zasilającym mikrokontroler oraz rezystorem. Rezystor drugą końcówką jest połączony z wyjściem źródła podwyższonego napięcia.

W korzystnej wersji rozwiązania według wynalazku moduł czujnika stanowi układ dwóch płytek z materiału przewodzącego rozdzielonych co najmniej jedną warstwą z materiału nieprzewodzącego.

W rozwiązaniu według wynalazku przewidziano że płytki z materiału przewodzącego stanowią płytki miedziane, zaś warstwę materiału nieprzewodzącego stanowi warstwa polichlorku winylu PVC.

Zgodnie z wynalazkiem, od dwóch warstw przewodzących wyprowadzone są dwa przewody przyłączeniowe, gdzie pierwszy przewód przyłączeniowy wyprowadzony jest od pierwszej płytki z materiału przewodzącego od strony warstwy dotykowej, zaś drugi przewód przyłączeniowy wyprowadzony jest od drugiej płytki z materiału przewodzącego patrząc od strony warstwy dotykowej, przy czym pierwszy przewód przyłączeniowy przyłączony jest do środkowej żyły przewodu koncentryczn ego, zaś drugi przewód przyłączeniowy przyłączony jest do ekranu tego przewodu koncentrycznego.

Zespół warstw przewodzących i rozdzielającej warstwy nieprzewodzącej może być umieszczony wewnątrz obudowy z tworzywa nieprzewodzącego.

Moduł czujnika według wynalazku, może mieć kształt dostosowany do kształtu gniazda w miejscu montażu. W szczególności kształt tego modułu może być dostosowany do kształtu znanej pus zki podtynkowej lub natynkowej przeznaczonej do montażu znanych ściennych wyłączników ele ktrycznych.

W rozwiązaniu wyłącznika elektronicznego dotykowego według wynalazku, zbliżenie ciała obcego o znacznej masie i o stałym potencjale innym niż potencjał masy układu do warstwy dotykowej powoduje wygenerowanie impulsu na wyjściu z transoptora. Kondensator stanowi element odfiltrowania zakłóceń. Dzięki zastosowaniu przewodu koncentrycznego pomiędzy modułem czujnika a modu4

PL 222 918 B1 łem wykonawczym, można trwale odizolować ten czujnik od otoczenia z uwagi na jego bezawaryjność, to znaczy na przykład zamurować moduł czujnika w ścianie pod wierzchnią warstwą tej ściany. Przewód koncentryczny pozwala oddalić moduł wykonawczy od modułu czujnika, i umieścić ten elektroniczny moduł wykonawczy w miejscu dostępnym dla serwisu.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku można także dowolnie zwielokrotniać moduły czujnika poprzez łączenie równoległe lub gwiaździste przewodów koncentrycznych z czujnikami. Dzięki temu można w prosty sposób realizować na przykład układy wyłączników schodowych. Konstrukcja czujnika umożliwia także wmurowywanie go w podłogach i wykrywanie tą drogą mas które na nich się znajdą. Połączenie jednego z wyjść komparatora z przetwornikiem cyfrowo-analogowym umożliwia automatyczne dopasowanie czułości modułu czujnika do grubości materiału izolacyjnego oraz do masy wykrywanego obiektu.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie wykonania na załączonym rysunku na którym poszczególne figury przedstawiają :

Fig. 1 - schemat ideowy włącznika elektronicznego dotykowego.

Fig. 2 - schemat blokowy modułu wykonawczego.

Fig. 3 -- moduł czujnika w przekroju zamocowany do jednowarstwowej warstwy dotykowej.

Fig. 4 - układ warstw wewnątrz modułu czujnika.

Fig. 5 -- moduł czujnika w przekroju zamocowany do wielowarstwowej warstwy dotykowej.

Schemat ideowy wyłącznika elektronicznego dotykowego przedstawiono na rysunku fig. 1 gdzie pokazano schematycznie moduł czujnika 1 zamocowany do jednowarstwowej warstwy dotykowej 2. Jak to pokazano na fig. 1 moduł czujnika 1 połączony jest z modułem wykonawczym 3. Moduł wykonawczy 3 stanowi układ elektroniczny do którego doprowadzone jest zasilanie 4 i z którego wyjścia wyprowadzony jest co najmniej jeden tor 5 sygnału roboczych do co najmniej jednego odbiornika, nie pokazanego na załączonym rysunku. Sygnał roboczy zamyka lub otwiera roboczy obwód zewnętrzny.

Schemat blokowy elektronicznego modułu wykonawczego 3 pokazano na rysunku f ig. 2. Płytka dotykowa 2 połączona jest za pośrednictwem przewodu koncentrycznego 6 poprzez ko ndensator 7 z wejściem wzmacniacza 8. Wyjście wzmacniacza 8 połączone jest z jednym wejściem komparatora 9, zaś drugie wejście komparatora 9 połączone jest z wyjś ciem przetwornika cyfrowo-analogowego mikrokontrolera 10. Natomiast wyjście komparatora 9 jest połączone z wejściem transoptora 11.

Wyjście transoptora 11 połączone jest z wejściem mikrokontrolera 10. Ujemny potencjał zasilający wzmacniacz 8, komparator 9 oraz transoptor 11, jest połączony z kluczem 12 oraz rezystorem 13. Rezystor 13 drugą końcówką jest połączony z wyjściem źródła podwyższonego napięcia 14. Druga końcówka klucza 12 jest połączona z potencjałem zbliżonym do potencjału uziemienia. Natomiast wejście sterujące klucza 12 połączone jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera 10. Dodatni potencjał zasilający układy wzmacniacza 8 oraz komparatora 9 połączony jest z wyjściem izolowanego ga lwanicznie źródła zasilania 15.

Na rysunku fig. 3 pokazano modu ł czujnika 1 w postaci płytki zamocowanej do jednowa rstwowej warstwy dotykowej 2. Warstwę dotykową 2 w tym przykładzie wykonania stanowi zwykła płytka ceramiczna stosowana powszechnie jako okładzina ścienna w budownictwie. Jednakże w innych przykładach wykonania warstwę dotykową 2 może stanowić warstwa każdego innego materiału nieprzewodzącego jak na przykład warstwa betonu, szkła, ceramiki, drewna lub innych materiałów, lub ich warstwowej kombinacji. Taką kombinację trzech warstw składających się na warstwę dotykową 2 pokazano na rysunku fig. 5. Moduł czujnika 1 na rysunku fig. 3 oraz fig. 5 uwidoczniono w przekroju. Moduł czujnika 1 ma tu postać dwóch płytek 16 z materiału przew odzącego rozdzielonych warstwą 17 z materiału nieprzewodzącego. W tym przykład zie wykonania płytki 16 stanowią płytki miedziane, zaś warstwa 17 pomiędzy płytkami 16 stanowi warstwa pol ichlorku winylu PVC. Zarówno jednak płytki 16 z materiału przewodzącego mogą być w innych przykładach wykonania wytworzone z innych materiałów przewodzących, jak również warstwa 17 z materiału nieprzewodzącego może być wytworzona w innych przykładach wykonania z innych materiałów nieprzewodzących niż PVC. Zespół warstw 16, 17 jest umieszczony wewnątrz obudowy 18 także wykonanej z tworzywa nieprzewodzącego. Od warstw przewodzących 16 wyprowadzone są przewody przyłączeniowe 19, 20. Przewód przyłączeniowy 19 wyprowadzony jest od pierwszej płytki 16 od strony płyty dotykowej, zaś przewód przyłączeniowy 20 wyprowadzony jest od drugiej płytki 16. Przewód 19 przyłączony jest do środkowej żyły przewodu koncentrycznego 6,

PL 222 918 B1 zaś przewód 20 przyłączony jest do ekranu przewodu koncentrycznego 6. Pokazano to wyraźnie na rysunku fig. 3 oraz fig. 5. Natomiast potencjał ujemny zasilania mikrokontrolera 10 połączony jest z potencjałem uziemienia poprzez rezystor 21.

Na rysunku fig. 4 pokazano natomiast moduł czujnika 1 w widoku z uwidocznieniem wewnętrznych warstw opisanych bliżej przy opisie rysunków fig. 3 oraz fig. 5. W opisywanym przykładzie wyk onania na rysunku fig. 4 moduł czujnika 1 ma postać prostokątnej płytki. Jednakże nie wyklucza się w innych przykładach wykonania innych postaci modułu czujnika 1, na przykład w postaci płytki okrągłej lub w innych postaciach. Wielkość płytki modułu czujnika 1 może być dostosowana do kształtu gniazda przewidzianego do jej zamontowania, na przykład może być dostosowana do kształtu gniazda elektrycznego w ścianie. Nie wyklucza się montażu płytki modułu czujnika w innych miejscach obiektów budowlanych ważnych na przykład ze względów bezpieczeństwa.

Wykaz oznaczeń na rysunku

1. Moduł czujnika

2. Warstwa dotykowa

3. Moduł wykon awczy

4. Tor zasilania

5. Tor sygnału roboczego

6. Przewód koncentryczny

7. Kondensator

8. Wzmacniacz

9. Komparator

10. Mikrokontroler

11. Transoptor

12. Klucz

13. Rezystor

14. Źródło podwyższonego napięcia

15. Źródło zasilania

16. Płytka z materiału przewodzącego

17. Warstwa materiału nieprzewodzącego

18. Obudowa modułu czujnika

19. Pierwszy przewód przyłączeniowy

20. Drugi przewód przyłączeniowy

21. Rezystor

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wyłącznik elektroniczny dotykowy, zawierający moduł czujnika zamocowany pod warstwą dotykową i połączony z modułem wykonawczym gdzie moduł wykonawczy stanowi układ elektronic zny do którego doprowadzone jest zasilanie i z którego wyjścia wyprowadzony jest co najmniej jeden tor sygnału roboczego do co najmniej jednego odbiornika, gdzie wyjście modułu czujnika połączone jest z wejściem wzmacniacza którego wyjście połączone jest z wejściem komparatora, zaś wyjście komparatora jest połączone z wejściem transoptora, którego wyjście połączone jest z wejściem mikrokontrolera, przy czym wejście sterujące klucza połączone jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera, zaś dodatni potencjał zasilający układy wzmacniacza oraz komparatora połączony jest z wyjściem izolowanego galwanicznie źródła zasilania, znamienny tym, że wyjście modułu czujnika (1) połączone jest z wejściem wzmacniacza (8) w module wykonawczym (3) za pośrednictwem przewodu koncentrycznego (6) oraz kondensatora (7), przy czym drugie wejście komparatora (9) połączone jest z wyjściem przetwornika cyfrowo analogowego mikrokontrolera (10) zaś ujemny potencjał zasilający wzmacniacz (8), komparator (9) oraz transoptor (11), jest połączony poprzez klucz (12) z potencjałem uziemienia i rezystorem (13), gdzie rezystor (13) drugą końcówką jest połączony z wyjściem źródła podwyższonego napięcia (14).
2. 2. Wyłącznik według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł czujnika (1) stanowi układ dwóch płytek przewodzących (16) rozdzielonych co najmniej jedną warstwą (17) z materiału nieprzewodzącego.

   PL 222 918 B1
3. 3. Wyłącznik według zastrz. 2, znamienny tym, że płytki przewodzące (16) stanowią płytki miedziane, zaś warstwę (17) materiału nieprzewodzącego stanowi warstwa polichlorku winylu PVC.
4. 4. Wyłącznik według zastrzeżenia 2 albo 3, znamienny tym, że od płytek przewodzących (16) wyprowadzone są przewody przyłączeniowe (19,20), gdzie pierwszy przewód przyłączeniowy (19) wyprowadzony jest od pierwszej płytki (16) z materiału przewodzącego od strony warstwy dotykowej, zaś drugi przewód przyłączeniowy (20) wyprowadzony jest od drugiej płytki (16) z m ateriału przewodzącego, przy czym pierwszy przewód (19) przyłączony jest do środkowej żyły przewodu koncentrycznego (6), zaś drugi przewód (20) przyłączony jest do ekranu tego przewodu koncentrycznego (6).
5. 5. Wyłącznik według zastrzeżenia 1, albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że zespół płytek przewodzących (16) i warstwy (17) jest umieszczony wewnątrz obudowy (18) z tworzywa nieprzewodzącego.