DORWARTH, Ralf (Amselrain 13, Oberderdingen, 75038, DE)
Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements (1 , C3), dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert, mit einer Ladeeinrichtung (2, D1 , MC), die dazu ausgebildet ist, das kapazitive Sensorelement (1 , C3) während eines Ladezyklus mit einer Ladespannung oder einem Ladestrom zu beaufschlagen und das kapazitive Sensorelement (1 , C3) während eines Umladezyklus nicht mit der Ladespannung oder dem Ladestrom zu beaufschlagen, einem Referenzkondensator (C2) mit vorbestimmter Kapazität und einer mit dem Referenzkondensator (C2) gekoppelten Auswerteeinrichtung (MC), welche die an dem Referenzkondensator (C2) anstehende Spannung zum Bestimmen der Kapazität auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das kapazitive Sensorelement (1, C3) und den Referenzkondensator (C2) nur ein ohmscher Widerstand (R2) eingeschleift ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung eine Rechteckspannungsquelle (2) zum Erzeugen der Ladespannung als rechteckförmige Spannung und eine Diode (D 1) umfasst, wobei die Diode (D 1) in Durchflussrichtung zwischen die Rechteckspannungsquelle (2) und das kapazitive Sensorelement (1 , C3) eingeschleift ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung einen Mikroprozessor (MC) umfasst, wobei der Mikroprozessor (MC) einen Port (P1) aufweist, der zur Ausgabe der Ladespannung mit einem hohen Pegel während des Ladezyklus konfiguriert ist und der in einen hochohmigen Zustand während des Umladezyklus konfiguriert ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Widerstand (R1), der zwischen die Ladeeinrichtung und das kapazitive Sensorelement (1 , C3) eingeschleift ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Widerstand (R3), der dem Referenzkondensator (C2) parallel geschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Mikroprozessor (MC) umfasst, wobei der Mikroprozessor (MC) einen mit dem Referenzkondensator (C2) gekoppelten Port (P2) aufweist, der als analoger Eingang zur Digitalisierung der an dem Referenzkondensator (C2) anstehenden Spannung konfigurierbar ist und der zur Ausgabe einer Bezugspannung zur Entladung des Referenzkondensators (C2) vor einem Bestimmen der Kapazität konfigurierbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (2, D1 , MC) derart ausgebildet ist, dass der Ladezyklus mit einer wesentlich kürzeren Dauer als der Umladezyklus erzeugt wird.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Dauer des Ladezyklus und der Dauer des Umladezyklus kleiner als 1 zu 4, insbesondere kleiner als 1 zu 8, ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Sensorelement einen Kondensator (C3) bildet, wobei eine erste Kondensatorplatte (1a) durch eine leitfähige Schicht gebildet ist, eine zweite Kondensatorplatte (1c) durch einen Benutzer gebildet ist, der das Sensorelement (1 , C3) betätigt, und die leitfähige Schicht (1a) während des Ladezyklus mit der Ladespannung oder dem Ladestrom beaufschlagt ist. |
Beschreibunq
Schaltunqsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven
Sensorelements
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert.
Schaltungsanordnungen zur Auswertung kapazitiver Näherungsschalter sind bekannt und weisen beispielsweise bei der WO 97/23738 ein kapazitives Sensorelement auf, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert. Diese Kapazitätsänderung wird ausgewertet, um den Betätigungszustand zu ermitteln. Hierzu wird das Sensorelement mit einer Ladespannung beaufschlagt, wodurch in Abhängigkeit von dessen Kapazität und der Ladespannung eine bestimmte elektrische Ladung auf das Sensorelement transferiert wird. Nach einer Ladezeit wird das Sensorelement von der Ladespannung getrennt und über ein Schaltmittel mit einem Sammelkondensator bzw. einem Referenzkondensator verbunden, wodurch ein Ladungstransfer vom Sensorelement auf den Sammelkondensator erfolgt. Der Vorgang des Ladens und anschließenden Umladens wird für eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen wiederholt, wodurch die Ladung des Sammelkondensators einen bestimmten Wert erreicht, der unter anderem durch den Wert der Kapazität des Sensorelements bestimmt wird. Die Ladung bzw. die daraus resultierende Spannung des Sammelkondensators ist folglich ein Maß für die zu messende Kapazität des Sensorelements. Durch Auswerten der Spannung des Sammelkondensators kann auf den Betätigungszustand des Näherungsschalters geschlossen werden. Nach der Spannungsauswertung wird der Sammelkondensator definiert entladen und es kann sich ein neuer Messzyklus anschließen. Derartige Schaltungs-
anordnungen werden auch als Switched-Capacitor-Schaltungen bezeichnet.
Die Schaltvorgänge werden üblicherweise durch Analogschalter realisiert, die relativ teuer und empfindlich gegenüber Störungen sind.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements zugrunde, die durch Auswertung der Kapazität bzw. der Kapazitätsänderung eine sichere Ermittlung des Betätigungszustands unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet, kostengünstig herstellbar und unempfindlich gegenüber EMV- und HF-Störungen ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die erfindungsgemäße, auf dem Switched-Capacitor-Prinzip beruhende Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert, umfasst eine Ladeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das kapazitive Sensorelement während eines Ladezyklus mit einer Ladespannung oder einem Ladestrom zu beaufschlagen und das kapazitive Sensorelement während eines Umladezyklus nicht mit der Ladespannung oder dem Ladestrom zu beaufschlagen, einen Referenzkondensator mit vorbestimmter Kapazität und eine mit dem Referenzkondensator gekoppelte Auswerteeinrichtung, welche die an dem Refe-
renzkondensator anstehende Spannung zum Bestimmen der Kapazität auswertet. Erfindungsgemäß ist zwischen das kapazitive Sensorelement und den Referenzkondensator nur ein ohmscher Widerstand eingeschleift. Ein ohmscher Widerstand im Sinne der Erfindung ist ein Bauelement, welches im Wesentlichen nur ohmsche Komponenten aufweist. Der ohmsche Widerstand kann selbstverständlich auch durch Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Widerstände gebildet sein. Kern der Erfindung ist folglich, dass außer dem ohmschen Widerstand keine weiteren Bauelemente zwischen dem kapazitiven Sensorelement und den Referenzkondensator vorhanden sind, d.h. der ohmsche Widerstand ist insbesondere schaltmittelfrei zwischen das kapazitive Sensorelement und den Referenzkondensator eingeschleift. Schaltmittelfrei im Sinne der Erfindung bedeutet, dass zwischen das kapazitive Sensorelement und den Referenzkondensator im Gegensatz zu den herkömmlichen Switched-Capacitor-Schaltungen keine Schaltmittel, beispielsweise Analogschalter, Relais, Dioden etc., eingeschleift bzw. zwischengeschaltet sind. Schaltmittelfrei im Sinne der Erfindung bedeutet weiterhin, dass dem Widerstand keine Schaltmittel, beispielsweise in Form von Analogschaltern, Relais, Dioden etc., parallel geschaltet sind. Die Schaltungsanordnung erfordert folglich keine Schalter bzw. Analogschalter, die wie bei den herkömmlichen Schaltungsanordnungen den Ladungstransfer von dem kapazitiven Sensorelement auf einen Sam- mel- bzw. Referenzkondensator steuern. Dies erlaubt eine sichere Bestimmung der Kapazität bzw. des Betätigungszustands unter allen Betriebsbedingungen, da eine komplexe Ansteuerung des Schalters entfallen kann. Weiterhin können aufgrund des Wegfalls des Schalters Kosten eingespart werden.
In einer Weiterbildung umfasst die Ladeeinrichtung eine Rechteckspannungsquelle zum Erzeugen der Ladespannung als rechteckförmige Spannung und eine Diode, wobei die Diode in Durchflussrichtung zwischen die Rechteckspannungsquelle und das kapazitive Sensorelement
- A -
eingeschleift ist. Hierbei wird, wenn die Ladespannung mit hohem Pegel erzeugt wird, der Referenzkondensator über die Diode aufgeladen. Da die Kapazität des Sensorelements wesentlich kleiner ist als die Kapazität des Referenzkondensators und aufgrund des hochohmigen Widerstands zwischen dem kapazitiven Sensorelement und dem Referenzkondensator, lädt sich während des Ladezyklus der Referenzkondensator im Vergleich zu dem kapazitiven Sensorelement nur unwesentlich auf. Wenn die Ladespannung während des Umladezyklus, d.h. wenn die Ladespannung mit niedrigem Pegel erzeugt wird, aufgrund der nun sperrenden Diode nicht an das kapazitive Sensorelement angelegt wird, erfolgt ein Ladungstransfer von dem kapazitiven Sensorelement zum Referenzkondensator über den zwischengeschalteten Widerstand. Die Menge der hierbei transferierten Ladung wird unter anderem durch die zu messende Kapazität des kapazitiven Sensorelements bestimmt. über eine durch die Auswerteeinheit durchgeführte Spannungsmessung am Referenzkondensator ist folglich eine Kapazitätsmessung bzw. eine Messung der Kapazitätsänderung möglich, wodurch wiederum der Betätigungszustand ermittelt werden kann.
In einer Weiterbildung umfasst die Ladeeinrichtung einen Mikroprozessor, wobei der Mikroprozessor einen Port aufweist, der zur Ausgabe der Ladespannung mit einem hohen Pegel während des Ladezyklus konfiguriert ist und der in einen hochohmigen Zustand während des Umladezyklus konfiguriert ist. Auf diese Weise kann mittels eines herkömmlichen Mikroprozessorausgangsports die benötigte Ladespannung erzeugt werden, wobei im hochohmigen Zustand des Ports kein Ladungs- rückfluss in den Port erfolgt und somit der Ladungstransfer vom kapazitiven Sensorelement zum Referenzkondensator nicht durch die Ladespannung beeinflusst wird.
In einer Weiterbildung ist ein Widerstand zwischen die Ladeeinrichtung und das kapazitive Sensorelement eingeschleift. Auf diese Weise kann eine Ladestrombegrenzung realisiert werden.
In einer Weiterbildung ist zu dem Referenzkondensator ein Widerstand parallel geschaltet. Der Widerstand führt zu einem definierten, dauerhaften Entladestrom aus dem Referenzkondensator. Es stellt sich dann ein mittlerer Spannungswert am Referenzkondensator ein, der von der Kapazität des kapazitiven Sensorelements abhängt.
In einer Weiterbildung umfasst die Auswerteeinrichtung einen Mikroprozessor, wobei der Mikroprozessor einen mit dem Referenzkondensator gekoppelten Port aufweist, der als analoger Eingang zur Digitalisierung der an dem Referenzkondensator anstehenden Spannung konfigurierbar ist und der alternativ zur Ausgabe einer Bezugspannung zur Entladung des Referenzkondensators vor einem Bestimmen der Kapazität konfigurierbar ist. Der Mikroprozessor dient sowohl zur Kapazitätsbestimmung als auch zur definierten Entladung des Referenzkondensators am Beginn einer neuen Messung.
In einer Weiterbildung ist die Ladeeinrichtung derart ausgebildet, dass der Ladezyklus mit einer wesentlich kürzeren Dauer als der Umladezyklus erzeugt wird. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass das kapazitive Sensorelement aufgrund seiner geringeren Kapazität während des Ladezyklus wesentlich schneller aufgeladen wird als der Referenzkondensator. Der Umladevorgang benötigt im Vergleich zum Aufladevorgang jedoch mehr Zeit. Durch Wahl eines geeigneten Tastverhältnisses kann dies berücksichtigt werden. Bevorzugt ist ein Verhältnis zwischen der Dauer des Ladezyklus und der Dauer des Umladezyklus kleiner als 1 zu 4, bevorzugt kleiner als 1 zu 8, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 16.
In einer Weiterbildung bildet das kapazitive Sensorelement einen Kondensator, wobei eine erste Kondensatorplatte durch eine leitfähige Schicht gebildet ist, eine zweite Kondensatorplatte durch einen Benutzer gebildet ist, der das Sensorelement betätigt, und die leitfähige Schicht während des Ladezyklus mit der Ladespannung oder dem Ladestrom beaufschlagt ist.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwi- schen-überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert,
Fig. 2. ein Schaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 1 , bei dem das kapazitive Sensorelement von Fig. 1 durch sein elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt ist, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein Prinzip-Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements 1 , dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert. Das kapazitive Sensorelement 1 bildet einen Kondensator, wobei eine erste Kondensatorplatte 1a durch eine leitfähige, insbesondere ebene und flächige Schicht gebildet wird, die beispielsweise unter einer Glaskeramikplatte 1b eines nicht gezeigten Kochfeldes angeordnet sein kann. Eine zweite Kondensatorplatte wird beispielsweise durch einen Finger 1c eines Benutzers bzw. durch den Benutzer selbst gebildet. Die Glaskeramikplatte 1 b bildet ein Dielektrikum zwischen den beiden Kondensatorplatten 1a und 1c.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 1 , bei dem das kapazitive Sensorelement 1 von Fig. 1 durch sein elektrisches Ersatzschaltbild in Form eines Kondensators C3 dargestellt ist. Die Kapazität des Kondensators C3 ändert sich in Abhängigkeit vom Betätigungszustand, d.h. in Abhängigkeit davon, in welchem Abstand sich der Finger 1c von der leitfähigen Schicht 1a befindet. Die Kapazität des Kondensators C3 nimmt bei kleiner werdendem Abstand zu. Aus der Kapazität bzw. der Kapazitätsänderung des Kondensators C3 kann folglich ermittelt werden, ob eine Betätigung des kapazitiven Näherungsschalter bzw. des kapazitiven Sensorelements C3 bzw. 1 erfolgt.
Die gezeigte Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Ladeeinrichtung in Form einer Rechteckspannungsquelle 2 zum Erzeugen einer recht-
eckförmigen Ladespannung, einer Diode D1 , und eines Ladewiderstands R1 , wobei die Diode D1 und der Widerstand R1 seriell zwischen die Rechteckspannungsquelle 2 und das kapazitive Sensorelement 1 , 1 a bzw. C3 eingeschleift sind. Der Ladewiderstand R1 ist kein zwingender Bestandteil der Ladeeinrichtung und kann optional ganz wegfallen. Die Ladeeinrichtung ist dazu ausgebildet, das kapazitive Sensorelement
1 bzw. C3 während eines Ladezyklus mit der Ladespannung in Form des höheren der beiden Spannungspegel der Rechteckspannungsquelle
2 zu beaufschlagen und das kapazitive Sensorelement 1 bzw. C3 während eines Umladezyklus nicht mit der Ladespannung zu beaufschlagen, d.h. das kapazitive Sensorelement 1 bzw. C3 von der Rechteckspannungsquelle 2 zu entkoppeln. Die Entkopplung wird durch die Diode D1 bewirkt, da diese sperrt, wenn die Rechteckspannungsquelle 2 während des Umladezyklus den niedrigeren der beiden Spannungspegel, d.h. die Bezugs- oder Massespannung, ausgibt.
Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Referenzkondensator C2 mit vorbestimmter oder bekannter Kapazität, eine mit dem Referenzkondensator C2 gekoppelte Auswerteeinrichtung in Form eines Mikroprozessors MC, welcher die an dem Referenzkondensator C2 anstehende Spannung zum Bestimmen der Kapazität auswertet, und einen Entladewiderstand R3, der dem Referenzkondensator C2 parallel geschaltet ist.
Zwischen das kapazitive Sensorelement 1 bzw. C3 und den Referenzkondensator C2 ist schaltmittelfrei, d.h. ohne Zwischenschaltung und/oder Parallelschaltung von Schaltmitteln oder Schaltern, nur ein ohmscher Umladewiderstand R2 eingeschleift, d.h. zwischen das kapazitive Sensorelement 1 bzw. C3 und den Referenzkondensator C2 ist nur der ohmsche Umladewiderstand R2 eingeschleift. Der Umladewiderstand R2 bewirkt während des Umladezyklus einen Ladungstransfer von dem kapazitiven Sensorelement 1 bzw. C3 zu dem Referenzkon-
densator C2. Da die transferierte Ladungsmenge von der Kapazität des kapazitiven Sensorelements C3 abhängt, die wiederum von einem Betätigungszustand abhängt, stellt sich am Referenzkondensator C2 eine betätigungsabhängige Spannung ein. Diese wird vom Mikroprozessor MC zur Bestimmung des Betätigungszustandes ausgewertet.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität eines kapazitiven Sensorelements, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seinem Betätigungszustand ändert.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einerseits dadurch, dass die Ladeinrichtung vollständig in den Mikroprozessor MC integriert ist. Hierzu weist der Mikroprozessor MC einen Port P1 auf, der zur Ausgabe der Ladespannung mit einem hohen Pegel während des Ladezyklus konfiguriert ist und der in einen hochohmigen Zustand während des Umladezyklus konfiguriert ist. Herkömmliche Mikroprozessoren weisen üblicherweise Ports auf, die drei Zustände aufweisen können. In einem ersten Zustand wird eine Bezugsspannung oder Massespannung des Mikroprozessors ausgegeben, in einem zweiten Zustand wird eine Versorgungsspannung des Mikroprozessors ausgegeben und in einem dritten Zustand wird der Port hochohmig geschaltet. Zur Implementierung der Ladeeinrichtung werden der zweite und der dritte Zustand verwendet. Dies ermöglicht die Einsparung von Bauelementen im Vergleich zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.
Ein weiterer Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, dass in Fig. 3 der Entladewiderstand R3 eingespart ist. Dies wir dadurch ermöglicht, dass der Mikroprozessor MC einen mit dem Referenzkondensator gekoppelten Port P2 aufweist, der als analoger Eingang zur Digitalisierung der an dem Referenzkondensator C2 anstehenden Spannung konfigurierbar ist
und der weiterhin zur Ausgabe einer Bezugspannung zur Entladung des Referenzkondensators C2 vor einem erneuten Bestimmen der Kapazität konfigurierbar ist. Hierbei wird vor jeder erneuten Messung zunächst der Referenzkondensator C2 durch Ausgabe der Massespannung am Port P2 entladen. Der Port P2 ist in diesem Fall als Ausgang konfiguriert.
Anschließend wird der Port P2 als analoger Eingang oder als „normaler" digitaler Eingang konfiguriert und der Prozessor MC führt aufeinanderfolgende Lade- und Umladezyklen aus, wodurch die Spannung am Referenzkondensator C2 sukzessive zunimmt. Die Anzahl der Lade- bzw. Umladezyklen, bis eine vorbestimmte Schwellenspannung am Port P2 erreicht ist, ist ein Maß für die Kapazität des kapazitiven Sensorelements C3. Wenn der Port P2 als digitaler Eingang konfiguriert ist, kann ein über den Port P2 eingelesener, kippender binärer Wert als Schwellenkriterium dienen. Wenn der Port P2 als analoger Eingang konfiguriert ist, kann ein digitalisierter Wert als Schwellenkriterium dienen.
Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen durch Auswertung der Kapazität bzw. der Kapazitätsänderung des kapazitiven Sensorelements 1 bzw. C3 eine sichere Ermittlung seines Betätigungszustands unter allen Betriebsbedingungen, sind kostengünstig herstellbar und unempfindlich gegenüber EMV- und HF-Störungen. Insbesondere kann ein teurer und empfindlicher Analogschalter zwischen dem kapazitiven Sensorelement und dem Referenzkondensator entfallen.