專利名稱：針對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)的電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種依據(jù)權(quán)利要求1的前序部分、特別是依據(jù)電荷轉(zhuǎn)移原理的針對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)的電路裝置。
背景技術(shù)：
這種電路裝置是已知的，并且例如在EP 0 859 468 A1中具有一個(gè)容性傳感元件，該容性傳感元件的電容依賴于它的操作狀態(tài)而改變。分析這種電容改變，以便確定操作狀態(tài)。為此，將一個(gè)充電電壓加到所述傳感元件上，由此依賴于其電容和充電電壓將一定的電荷轉(zhuǎn)移到該傳感元件上。在充電時(shí)間之后，將該傳感元件與充電電壓分開(kāi)并且與一個(gè)儲(chǔ)能電容器相連接，由此實(shí)現(xiàn)電荷從該傳感元件到儲(chǔ)能電容器的轉(zhuǎn)移。充電和接著的再充電的過(guò)程重復(fù)預(yù)定數(shù)量的周期，由此儲(chǔ)能電容器的電荷達(dá)到某個(gè)值，該值此外由傳感元件的電容值來(lái)確定。因此，儲(chǔ)能電容器的電荷或由此得到的電壓是待測(cè)量的傳感元件電容的量度。通過(guò)分析儲(chǔ)能電容器的電壓，能夠推導(dǎo)出接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)。在電壓分析之后，按規(guī)定對(duì)儲(chǔ)能電容器放電并且可以緊接一個(gè)新的測(cè)量周期。
切換過(guò)程通常由相對(duì)較貴的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，傳感元件可以使僅僅放電直到儲(chǔ)能電容器的當(dāng)前電壓，由此隨著儲(chǔ)能電容器的不斷充電，可轉(zhuǎn)移的電荷減少，并因此降低信號(hào)分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是，提供文章開(kāi)頭所提到的那種電路裝置，該電路裝置保證在所有運(yùn)行條件下都能可靠地確定接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)，能夠低成本地制造并且對(duì)于EMV干擾和HF干擾是不敏感的。
本發(fā)明通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的電路裝置來(lái)解決這個(gè)任務(wù)。本發(fā)明的有利的和優(yōu)選的擴(kuò)展方案是其他權(quán)利要求的主題，并且將在下面被詳細(xì)說(shuō)明。權(quán)利要求的條文通過(guò)明確參考說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容來(lái)撰寫(xiě)。
根據(jù)本發(fā)明的電路裝置具有第一可控連接裝置，其依賴于控制信號(hào)將充電電壓加到容性傳感元件上；和第二可控連接裝置，其依賴于控制信號(hào)將所述容性傳感元件與儲(chǔ)能電容器相連接以便將該容性傳感元件的電荷轉(zhuǎn)移到該儲(chǔ)能電容器上。在此，所述充電電壓可以是交流電壓，并且可以這樣將該交流電壓加到所述連接裝置上，以致第一連接裝置或第二連接裝置是交替導(dǎo)通的。傳感元件的充電階段與電荷轉(zhuǎn)移階段之間的切換按交流電壓的節(jié)拍實(shí)現(xiàn)，由此能夠取消附加的切換邏輯電路。這種電路裝置能夠容易地構(gòu)建、低成本地制造并且對(duì)于干擾是不敏感的。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，所述充電電壓借助于具有共同的參考電勢(shì)的直流電壓源和矩形電壓源來(lái)產(chǎn)生。在此，在充電電壓節(jié)點(diǎn)和直流電壓源之間插入在截止方向上的箝位二極管，并且在充電電壓節(jié)點(diǎn)和矩形電壓源之間插入串聯(lián)的電容器和電阻。通過(guò)這種裝置，可以在充電電壓節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生矩形充電電壓，該充電電壓按矩形電壓源的節(jié)拍在直流電壓源的電勢(shì)和直流電壓源的電勢(shì)與矩形電壓源的“1”電平或“1”電勢(shì)的總電勢(shì)之間交變。這使得傳感元件的近似完全充電或放電能夠不依賴于儲(chǔ)能電容器的充電電壓或充電狀態(tài)，從而在儲(chǔ)能電容器上產(chǎn)生線性的電壓上升。可能的信號(hào)分辨率由此被極大改善。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，第一連接裝置是一個(gè)二極管和/或第二連接裝置是一個(gè)雙極晶體管、尤其是一個(gè)pnp晶體管。借助于連接裝置的這種選擇，可以容易地和低成本地實(shí)現(xiàn)依賴于充電電壓的切換功能，因?yàn)樵撨B接裝置依賴于充電電壓而導(dǎo)通或截止。昂貴而敏感的模擬開(kāi)關(guān)可以取消。此外，盡最大可能地通過(guò)晶體管寄生電容來(lái)補(bǔ)償對(duì)于容性傳感元件來(lái)說(shuō)典型的對(duì)地電容，由此基本上僅僅檢測(cè)傳感元件的電容變化。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，晶體管的基極和/或二極管的陽(yáng)極與充電電壓節(jié)點(diǎn)相連接，二極管的陰極和/或晶體管的發(fā)射極與濾波電阻相連接，該濾波電阻與容性傳感元件相耦合，而晶體管的集電極與儲(chǔ)能電容器相連接，該儲(chǔ)能電容器的另一個(gè)端子與參考電勢(shì)相連接。通過(guò)這種接線來(lái)實(shí)現(xiàn)，二極管或晶體管依賴于充電電壓交替地導(dǎo)通，而不需要其他的控制信號(hào)。所述濾波電阻使該電路裝置對(duì)EMV干擾和HF干擾不敏感。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，將一個(gè)開(kāi)關(guān)與儲(chǔ)能電容器并聯(lián)連接。這使得在開(kāi)始新的測(cè)量之前儲(chǔ)能電容器能夠可靠地放電。替代地，也可以使用適當(dāng)?shù)卮_定大小的電阻。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，該電路裝置具有多個(gè)容性傳感元件，其分別被分配給第一連接裝置和第二連接裝置；以及僅僅具有一個(gè)唯一的儲(chǔ)能電容器，該儲(chǔ)能電容器分別通過(guò)一個(gè)在導(dǎo)通方向上的退耦二極管與相應(yīng)的第二連接裝置相連接，其中該退耦二極管的陽(yáng)極通過(guò)在導(dǎo)通方向上的選擇二極管與相應(yīng)的選擇信號(hào)相連接。借助于這種電路裝置，可以分析多路運(yùn)行時(shí)多個(gè)接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)。相應(yīng)接近開(kāi)關(guān)的選擇通過(guò)選擇信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該選擇信號(hào)釋放從所選傳感元件到該唯一的儲(chǔ)能電容器的電荷轉(zhuǎn)移。未被選擇的傳感元件的電荷經(jīng)過(guò)各個(gè)選擇二極管流走。能夠集中地提供充電電壓。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，容性傳感元件被構(gòu)造用于被放置在具有介電特性的表面或保護(hù)層的底面上，其中它優(yōu)選地具有用于放置的光滑的平坦的表面。
在該電路裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，所述容性傳感元件是一個(gè)體積大的、有彈性的、優(yōu)選稍長(zhǎng)的由具有導(dǎo)電能力的材料構(gòu)成的殼體。例如在EP 0 859 467 A1中描述了這樣一種傳感元件，其關(guān)于這方面的內(nèi)容通過(guò)明確地參考該說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容來(lái)撰寫(xiě)。
這些特征和其他的特征除了來(lái)自于權(quán)利要求，也來(lái)自于說(shuō)明書(shū)和附圖，其中單個(gè)特征可以分別單獨(dú)地或以子組合形式多個(gè)地在本發(fā)明的實(shí)施形式中和在其他領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)，并且可以有利地本身就是能夠保護(hù)的實(shí)施方案，在此針對(duì)該實(shí)施方案要求保護(hù)。將本申請(qǐng)劃分為單個(gè)段以及中間標(biāo)題并未在其普遍性方面限制在這些標(biāo)題下所做的陳述。


在附圖中示意地示出了本發(fā)明的有利的實(shí)施形式，并且在下面進(jìn)行說(shuō)明。在此圖1示出針對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)的用于確定其操作狀態(tài)的電路裝置的電路圖，圖2示出圖1中的交流電壓源U2和圖1中的充電電壓節(jié)點(diǎn)N1上的充電電壓的電壓曲線圖，
圖3示出依賴于接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)的、圖1中的儲(chǔ)能電容器C2上的電壓曲線圖，以及圖4示出具有多個(gè)容性傳感元件的電路裝置的電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出針對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)的用于確定其操作狀態(tài)的電路裝置的電路圖。該電路裝置包含具有共同的參考電勢(shì)、例如接地的直流電壓源U1和矩形電壓源U2，其中在施加有充電電壓的充電電壓節(jié)點(diǎn)N1和直流電壓源之間U1插入在截止方向上的箝位二極管D1，并且在充電電壓節(jié)點(diǎn)N1和矩形電壓源U1之間插入串聯(lián)的電容器C1和電阻R1。箝位二極管D1結(jié)合電容器C1導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)N1上由矩形電壓源U2輸出的電壓提高了直流電壓源的電壓的幅值。圖2在交流電壓源U2和充電電壓節(jié)點(diǎn)N1上的充電電壓U3關(guān)于時(shí)間的電壓曲線圖中示出了這種關(guān)系。
此外設(shè)置有二極管D2形式的第一切換裝置和pnp晶體管T1形式的第二切換裝置。晶體管T1的基極和二極管D2的陽(yáng)極與充電電壓節(jié)點(diǎn)N1相連接。二極管D2的陰極和晶體管T1的發(fā)射極與濾波電阻R2相連接，該濾波電阻R2與容性傳感元件C3相耦合，而晶體管T1的集電極與儲(chǔ)能電容器C2相連接，該儲(chǔ)能電容器的另一端子與參考電勢(shì)相連接。
電容器C4表示傳感元件C3的基本上恒定的對(duì)地電容。開(kāi)關(guān)S1與儲(chǔ)能電容器C2并聯(lián)連接，該開(kāi)關(guān)S1在測(cè)量開(kāi)始之前是閉合的并且由此將儲(chǔ)能電容器完全卸載。如果通過(guò)微控制器來(lái)分析儲(chǔ)能電容器上的電壓曲線，那么當(dāng)相應(yīng)輸入端被短時(shí)間切換到參考電勢(shì)上時(shí)，這個(gè)微控制器可以在測(cè)量開(kāi)始之前對(duì)儲(chǔ)能電容器C2進(jìn)行放電。在這種情況下取消開(kāi)關(guān)S1。容性傳感元件C3例如被放置在具有介電特性的表面或保護(hù)層的底面上。
將充電電壓U3加到二極管D2和晶體管T1的基極上，由此二極管D2或晶體管T1是交替導(dǎo)通的。當(dāng)充電電壓U3具有其較高值時(shí)，二極管D2被導(dǎo)通，由此傳感元件C3的電容被近似充電到充電電壓的幅值。在這種情況下晶體管截止，因?yàn)槠浠鶚O-發(fā)射極電壓是正的。如果充電電壓U3下降到其較低值，則二極管D2截止而基極-發(fā)射極段被導(dǎo)通，也就是說(shuō)晶體管T1導(dǎo)通。因此，傳感電容C3的電荷被再充電或轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容器上。晶體管T1的晶體管寄生電容補(bǔ)償傳感元件C3的對(duì)地電容C4的一部分，因此基本上只檢測(cè)傳感元件C3的電容變化。
再充電的電荷量由需要測(cè)定的傳感元件的電容C3來(lái)確定。在操作接近開(kāi)關(guān)時(shí)電容C3增加，由此儲(chǔ)能電容器上的電壓更快地上升。
圖3示出依賴于接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)的、儲(chǔ)能電容器C2上關(guān)于時(shí)間的電壓曲線圖。在未操作接近開(kāi)關(guān)時(shí)，電壓在參考電壓和第一斜坡電壓UR1之間鋸齒形地變化。在時(shí)刻t1和t2之間的時(shí)間段中，在操作接近開(kāi)關(guān)時(shí)，在時(shí)刻t1斜坡的上升大大增加并且儲(chǔ)能電容器C2上的電壓上升直至斜坡電壓UR3。后續(xù)的測(cè)量周期以高的斜坡坡度進(jìn)行，直到時(shí)刻t2，其中分別達(dá)到斜坡電壓UR2。因此所達(dá)到的斜坡電壓表明接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)，并且能夠通過(guò)未示出的單元、例如微控制器來(lái)加以分析。
圖4示出具有三個(gè)容性傳感元件C3的電路裝置的電路圖，為這些容性傳感元件分別分配了作為連接裝置的二極管D2和晶體管T1。用于產(chǎn)生充電電壓的電路部分包括電壓源U1和U2、箝位二極管D1、電容器C1和電阻R1，該電路部分僅僅存在一次并且將充電電壓U3加到各個(gè)連接裝置上。同樣，儲(chǔ)能電容器C2也僅僅簡(jiǎn)單地存在。與晶體管T1的集電極相連接的二極管D3和D4用于相互去耦。借助于相應(yīng)的選擇信號(hào)SL1、SL2或SL3來(lái)實(shí)現(xiàn)需要測(cè)量的接近開(kāi)關(guān)的選擇。所選出的或所選擇的接近開(kāi)關(guān)的選擇信號(hào)SL具有這樣的電壓，該電壓大于最大出現(xiàn)的斜坡電壓，而未被選擇的接近開(kāi)關(guān)的選擇信號(hào)具有參考電壓。未被選擇的傳感元件的電荷經(jīng)由各個(gè)二極管D3流走，而所選擇的傳感元件的電荷經(jīng)由相應(yīng)的二極管D4轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容器C2中。
所示電路裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在所有運(yùn)行條件下都可靠地確定接近開(kāi)關(guān)的操作狀態(tài)，能夠低成本地制造并且對(duì)EMV干擾和HF干擾不敏感。
權(quán)利要求
1.針對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)的用于確定其操作狀態(tài)的電路裝置，其具有-容性傳感元件，其電容(C3)依賴于所述操作狀態(tài)而改變，-儲(chǔ)能電容器(C2)，-第一可控連接裝置(D2)，其依賴于控制信號(hào)將充電電壓(U3)加到所述容性傳感元件(C3)上，-第二可控連接裝置(T1)，其依賴于控制信號(hào)將所述容性傳感元件(C3)與所述儲(chǔ)能電容器(C2)相連接以便將所述容性傳感元件(C3)的電荷轉(zhuǎn)移到所述儲(chǔ)能電容器(C2)上，其特征在于，所述充電電壓(U3)是交流電壓，并且能夠?qū)⒃摻涣麟妷哼@樣加到所述連接裝置(D2、T1)上，使得所述第一連接裝置(D2)或所述第二連接裝置(T1)是交替導(dǎo)通的。
2.按照權(quán)利要求1的電路裝置，其特征在于，所述充電電壓(U3)借助于具有共同的參考電勢(shì)的直流電壓源(U1)和矩形電壓源(U2)來(lái)產(chǎn)生，其中在充電電壓節(jié)點(diǎn)(N1)和所述直流電壓源(U1)之間插入在截止方向上的箝位二極管(D1)，并且在所述充電電壓節(jié)點(diǎn)(N1)和所述矩形電壓源(U2)之間插入串聯(lián)的電容器(C1)和電阻(R1)。
3.按照權(quán)利要求1或2的電路裝置，其特征在于，所述第一連接裝置是二極管(D2)和/或所述第二連接裝置是雙極晶體管、特別是pnp晶體管(T1)。
4.按照權(quán)利要求3的電路裝置，其特征在于，所述晶體管(T1)的基極和/或所述二極管(D2)的陽(yáng)極與所述充電電壓節(jié)點(diǎn)(N1)相連接，所述二極管(D2)的陰極和/或所述晶體管(T1)的發(fā)射極與濾波電阻(R2)相連接，該濾波電阻(R2)與所述容性傳感元件(C3)相耦合，而所述晶體管(T1)的集電極與所述儲(chǔ)能電容器(C2)相連接，該儲(chǔ)能電容器(C2)的另一端子與參考電勢(shì)相連接。
5.按照上述權(quán)利要求之一的電路裝置，其特征在于，開(kāi)關(guān)(S1)與所述儲(chǔ)能電容器(C2)并聯(lián)連接。
6.按照上述權(quán)利要求之一的電路裝置，其特征在于，該電路裝置具有多個(gè)分別分配有第一和第二連接裝置(D2、T1)的容性傳感元件(C3)，并且僅僅具有一個(gè)唯一的儲(chǔ)能電容器(C2)，該儲(chǔ)能電容器(C2)分別經(jīng)由在導(dǎo)通方向上的退耦二極管(D4)與各個(gè)第二連接裝置(T1)相連接，其中所述退耦二極管(D4)的陽(yáng)極通過(guò)在導(dǎo)通方向上的選擇二極管(D3)與各個(gè)選擇信號(hào)(SL1、SL2、SL3)相連接。
7.按照上述權(quán)利要求之一的電路裝置，其特征在于，所述容性傳感元件(C3)被構(gòu)造用于被放置在具有介電特性的表面或保護(hù)層的底面上，其中所述容性傳感元件優(yōu)選地具有用于放置的光滑的平坦的表面。
8.按照上述權(quán)利要求之一的電路裝置，其特征在于，所述容性傳感元件(C3)是一個(gè)體積大的、有彈性的、優(yōu)選稍長(zhǎng)的由具有導(dǎo)電能力的材料構(gòu)成的殼體。
全文摘要
說(shuō)明一種針對(duì)具有容性傳感元件(C3)的電容式接近開(kāi)關(guān)的按照電荷轉(zhuǎn)移原理的電路裝置，該容性傳感元件的電容依賴于操作狀態(tài)而改變，所述電路裝置具有儲(chǔ)能電容器(C2)；第一可控連接裝置(D2)，其依賴于控制信號(hào)將充電電壓(U3)加到所述容性傳感元件上；和第二可控連接裝置(T1)，其依賴于控制信號(hào)將所述容性傳感元件與所述儲(chǔ)能電容器相連接以便將該容性傳感元件的電荷轉(zhuǎn)移到該儲(chǔ)能電容器上。所述充電電壓可以是交流電壓，并且可以將該交流電壓這樣加到連接裝置上，以致第一連接裝置或第二連接裝置是交替導(dǎo)通的。
文檔編號(hào)H03K17/96GK1742433SQ200480002792
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者R·克勞斯 申請(qǐng)人:E.G.O.電氣設(shè)備制造股份有限公司