專利名稱：容性傳感器電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種容性傳感器電路，該電路包括一個傳感器電極，形成傳感電容器的第一極板;第一反相放大器，具有聯在傳感器電極上的一個輸入端和一個輸出端;第二放大器，具有與第一反相放大器的輸出端耦合的一個輸入端和一個輸出端;一個連接在第一反相放大器的輸出端與輸入端之間的反饋電阻器。
從歐洲專利申請EP0，524，708中可以了解到這種傳感器電路。在該專利中，這種電路用以接通和斷開個人護理設備的電源，即，使用者將設備舉起時，設備接上電源，使用者放下設備時，設備電源斷開。傳感器電極、第一反相放大器和反饋電阻器形成一個振蕩器，這種振蕩器也叫做非穩態多諧振蕩器，其振蕩頻率特別取決于反饋電阻器的值并取決于容性傳感器電路的傳感器電極與信號接地端子之間的電容值。振蕩頻率隨電容的增加而降低。當使用者舉起設備時，對地的電容較大，頻率較低。放下設備時，對地電容較小，頻率較高。較低和較高的振蕩頻率之間的頻差或頻數比由頻率/電壓轉換器測出，并轉換成電壓差，這個電壓差使某一開關得電，將設備接上電源。這時，第二放大器充當振蕩著的第一反相放大器與頻率/電壓轉換器之間的緩沖器。這種周知的容性傳感器電路對所使用的元器件在性能和元件值分布方面的情況相當敏感。尤其是從歐洲專利申請EP0，104，422我們知道，可以將振蕩頻率與構成對地基準電容的第二振蕩器的振蕩頻率加以比較。傳感器電極的電容通過頻率測定與基準電容器的電容相比較。由一個門電路提供一個作為振蕩頻率測定值的信號。這種周知的解決辦法相當準確，但需要使用門電路或一些其它的對比(Coincidence)電路。
本發明的目的是提供一種準確而不需用那種對比電路因而可以節省許多元器件的容性傳感器電路。
為達到上述目的，按照本發明，本說明書開頭一段所述的那種容性傳感器電路具有這樣的特征在第一反相放大器的輸出端與第二放大器的輸入端之間接有一個串聯電阻器，該串聯電阻器的阻值基本上與反饋電阻器的阻值相等;在第二放大器的輸入端與基準端之間接有一個基準電容器，該基準電容器的電容值基本上等于容性傳感器電極相對于基準端的預定電容值;此外，第一反相放大器和第二放大器構成高低輸入閾值電壓基本相同的施密特觸發器。
通過這些措施，達到了下列效果當傳感器電極的電容小于基準電容時，第二放大器的輸出端上出現直流電平，在相反的情況下，第二放大器的輸出端上出現頻率與振蕩著的第一反相放大器的相同的交流電壓。從直流電壓變為交流電壓的過程幾乎不受容差的影響，而且可以可靠地借助于頻率/電壓轉換器檢測出來，這時，該轉換器只用來檢測信號是零頻的直流電壓抑或是非零頻的交流電壓。為最大限度地減小元器件分布的影響，第一和第二放大器最好是完全相同的裝在一個半導體本體內的“與非”施密特觸發器。
這種容性傳感器電路適宜接通和斷開各種各樣帶手柄的電動用具，例如電動牙刷、剃須刀、電熨斗、吹發器、電鉆、真空吸塵器等，還可接通和斷開具觸動式控制器的電氣設備，例如聲頻和視頻設備、電烘箱、爐灶面等。
現在參看附圖詳細說明本發明的上述和其它方面，附圖中
圖1示出了本發明容性傳感器電路的電路圖;
圖2示出了裝有本發明的容性傳感器電路的電動用具;
圖3示出了裝有本發明的容性傳感器電路的吹發器;
在這些附圖中，功能或用途相同的部件用同一編號表示。
圖1示出了本發明的容性傳感器電路。呈施密特觸發器的形式的第一反相放大器2，其輸入端4經反饋電阻器8接其輸出端6。輸入端4與基準端10之間設有兩個電容器，基準端10起傳感器電路的信號接地端的作用。第一電容器由電容值為Cp1的寄生輸入電容器12構成，第二電容器由傳感電容器14的電容Cs構成，傳感電容器14的第一個極板則由接到輸入端4的傳感器電極16構成。第二個極板由基準端10構成需要時，基準端10也可接到第二傳感器電極18。對具有手柄的由市電供電的用具來說，只要將傳感器電極16裝入手柄中就夠了。此外，基準端10經傳感器電路的電源耦合到電源地線上。使用者握住手柄時，對地電容Cs發生變化。這時還可以檢測出市電頻率下的交流聲電壓Vm，該交流聲電壓用第二傳感電極18(如有的話)與基準端10之間的交流電壓源20象征性地表示出來。反相放大器2、反饋電阻器8和兩個電容器12和14形成一個振蕩器，振蕩器的振蕩頻率Fs隨電容器12和14的總電容Cp1+Cp2的增加而降低。在上述手柄中裝有傳感器電極16的用具中，振蕩頻率率Fs在用具的手柄被握住時會較低，在用具擱在一邊時會較高。當檢測出的交流聲電壓Vm非常高時，振蕩就不再是自由振蕩了，這時振蕩頻率Fs會被變成交流頻率。第一反相放大器2的輸出端經串聯電阻器22接第二反相放大器26(這也由施密特觸發器構成)的輸入端24。輸入端24經電容值為Cp2的寄生電容器28和電容值為Cr的基準電容器30接基準端10。
為簡化對振蕩頻率Fs的粗略計算過程，假設(但這對電容傳感電路的工作來說并不是主要的)低閾值電壓Vl和高閾值電壓Vh的平均值處在供電電源電壓Vcc的中間值，且它們的電壓差為VnVh＝1/2＊(Vcc+Vn);V1＝1/2＊(Vcc-Vn)(1)在振蕩期間，輸入端4處整個電容兩端的電壓V(t)在一個周期T內會在低閾值電壓Vl與高閾值電壓Vh之間變化。總電容兩端的電壓按下式變化V(t)＝Vo＊exp(-t/τ)(2)這里，Vo為初始電壓，τ＝Rl＊(Cs+Cpl)，R1則為反饋電阻器8的值。當t＝T/2，V(T/2)＝V1且Vo＝Vh時，下列關系式在半個周期內有效T/2＝τ＊ln{(Vcc+Vn)/(Vcc-Vn)}＝τ＊1n{(1+α)}(3)其中α＝Vn/Vcc。α值小時，方程(3)可化簡為下列近似式T＝4＊τ＊α＝4＊Rl＊(Cs+Cpl)＊Vn/Vcc(4)因而振蕩頻率Fs大致等于Fs＝Vcc/{4＊Vn＊R1＊(Cs+Cpl)｝(5)在輸出端6處出現方波電壓，該電壓經串聯電阻器22給電容器28和30充電和放電。這一下使電容器28和30兩端產生脈動電壓，其峰-峰電壓Vpp大致等于Vpp＝Vcc/｛4＊Fs＊R2＊(Cr+Cp2)｝ (6)這時若選取R2等于R1并將方程(5)代入方程(6)中，則Vpp＝Vn＊(Cs+Cp1)/(Cr+Cp2)(7)這時，用作施密特觸發器的第二反相放大器26所具有的高低閾值電壓之間的電壓差Vn與下面將得到的第一反相放大器2的電壓差相同。若Cs小于Cr，則Vpp小于Vn，從而不超過第二反相放大器26的兩觸發閾值Vn和Vh，且在該放大器的輸出端32出現直流電平。若Cs大于Cr，則Vpp大于Vn，因而不會周期性地超過兩觸發閾值Vn和Vh，且在輸出端32上出現振蕩頻率為Fs的交流信號。這些放大器若完全相同且集成在半導體本體上，則反相放大器2和26的電壓差Vn基本上相等。這具有另一個好處，即寄生電容器Cp1和Cp2因而也基本相等，從而消除了這些寄生電容器對Vpp幅值的影響。電阻器8和22的阻值相等。這樣，與這些電阻器并聯的寄生電容都不會對脈動電壓Vpp有任何影響，這是因為輸出端6至基準端10的負荷嚴格對稱的緣故。
因此，取得了這樣的效果，即輸出端32在Cs大于Cr時提供交流信號，在Cs小于Cr時提供直流信號，由于電路對稱，因而基本上消除了元器件分布引起的不精確。
借助于比較器34可以檢測出輸出端32傳送的是交流抑或直流信號。比較器34也是由一個反相的施密特觸發器構成，且該比較器34還具有輸入端36和輸出端38，輸入端36經充電泵40接收來自第二反相放大器26的輸出端32上的信號。充電泵40由第一電容器42、第一二極管46、第二二極管48和電阻器50及電容器52組成，第一電容器42連接在輸出端32與節點44之間;第一二極管46的負極接節點44，正極接基準端10;第二二極管48的正極接節點44，負極接輸入端36;電阻器50和電容器52則連接在輸入端36與基準端10之間。
每個振蕩周期1/F通過電容器42的充電電流i大致等于i＝C1＊(Vcc-2＊Vj-V2)＊F＝V2/R3(8)上式中，C1為電容器42的值，Vj為二極管46和48的結電壓，V2為電容器52兩端的電壓，R3為電阻器50的值。若比較器34的閾值電壓處在大約供電電壓Vcc的中間值，則電壓V2必然在最低頻率F1下等于Vcc/2，且下列關系式成立F1＝Vcc/｛R3＊Cl＊(Vcc-4＊Vj)｝(9)如上所述，振蕩頻率可等于檢測出的市電交流頻率。當F1＝20赫、Vcc＝5伏且Vj＝0.7伏時，則從方程(9)可知時間常數R3＊Cl的值約為114毫秒。電容器52使比較器34的切換過程有些延遲。
圖2示出了圖1的電容傳感電路應用在電動用具中的情況。反相器2、26和34由雙輸入端施密特觸發器“與非”電路構成。反相器34的輸出端38經第四雙輸入端施密特觸發器“與非”電路54和限流電阻器74驅動NPN開關晶體管56的基極，所述開關晶體管的發射極經發光二極管(LED)58接基準端10，該晶體管的集電極則經斷流開關60驅動繼電器64的激勵線圈62。繼電器和“與非”電路接收來自供電電壓源(圖中未示出)的供電電壓，供電電壓源可以由整流電路(圖中未示出)組成。繼電器驅動一個開關66，開關66與負荷72串聯連接，配置在干線電壓端68與70之間。負荷72可以是例如電動機、發熱元件、燈或任何需要接通和斷開的其它器件。
在較低的振蕩頻率下，即當傳感器電極16象設備是抓住使用的情況下那樣處理時，輸出端32上出現交流信號，因而輸入端36處于高電平。于是輸出端38轉入低電平，晶體管56經反相器54導通。繼電器64的激勵線圈62得電，開關66閉合，且負荷72接收干線電壓。借助于分斷開關60可以中斷激勵線圈62的電源，從而使電動用具不工作。LED58發出信號，表示負荷經開關66接到電源干線上。設備擱在一旁時，振蕩頻率較高，于是輸出端32連續處于高電平，輸入端36處于低電平，因而輸出端38處于高電平，于是晶體管56沒有收到基極電流。這時繼電器64不受激勵，LED58截止，負荷72脫離電源電壓。因此，繼電器是根據第二反相放大器26的輸出端32上的交流/直流信號受激勵的。
第二放大器26也可以是不反相放大器，因為這與決定出現在輸出端32上的信號是交流還是直流無關。基準電容器30的值Cr取決于傳感電容器14的預計值。
圖3示出了有手柄74的電動吹發器，傳感器電極16即裝在手柄74中。圖2的電容傳感器電路和其它電子器件裝在印刷電路板76上，再裝入手柄74中。
權利要求
1.一種容性傳感器電路，包括構成傳感電容器(14)的第一極板的傳感器電極(16)；第一反相放大器(2)，具有接到傳感器電極(16)的輸入端(4)和輸出端(6)；第二放大器(26)，具有與第一反相放大器(2)的輸出端(6)耦合的輸入端(24)和輸出端(32)；反饋電阻器(8)，連接在第一反相放大器(2)的輸出端(6)與輸入端(4)之間，其特征在于，在第一反相放大器(2)的輸出端(6)與第二放大器(26)的輸入端(24)之間接有串聯電阻器(22)，該串聯電阻器(22)的阻值基本上與反饋電阻器(8)的阻值相等；基準電容器(30)，連接在第二放大器(26)的輸入端(24)與基準端(10)之間，該基準電容器(30)的電容值基本上等于容性傳感器電極(16)相對于基準端(10)的預定電容值；且第一反相放大器(2)和第二放大器(26)構成高低輸入閾值電壓基本相同的施密特觸發器。
2.如權利要求1所述的容性傳感器電路，其特征在于，第一放大器(2)和第二放大器(26)是裝在一個半導體本體內的完全相同的“與非”施密特觸發器。
3.如權利要求1或2所述的容性傳感器電路，其特征在于，所述容性傳感器電路還包括比較器(34)，具有輸入端(36)和輸出端(38);和充電泵(40)，由第一電容器(42)、第一二極管(46)、第二二極管(48)、電阻器(50)和第二電容器(52)組成，第一電容器(42)連接在第二放大器(26)的輸出端(32)與節點(44)之間。第一二極管(46)連接在節點(44)與基準端(10)之間，第二二極管(48)連接在節點(10)與比較器(34)的輸入端(36)之間，第二二極管(48)的正極接節點(44)，第一二極管(46)的負極接所述節點(44)，電阻器(50)和第二電容器(52)都連接在比較器(34)的輸入端(36)與基準端(10)之間。
4.如權利要求3所述的容性傳感器電路，其特征在于，比較器(34)是個施密特觸發器，其閾值電壓基本上處在施密特觸發器電源電壓的中間值。
5.一種電動用具，有一個負載(72)和一個可控開關(56，62，64，66)，該開關有一個主電流通路(66)與負荷(72)串聯連接，還有一個主電流通路(56，62)供接收控制信號以便根據來自如權利要求1、2、3或4所述的容性傳感器電路的第二放大器(26)的輸出端(32)的信號使可控開關(56，62，64，66)接通和斷開。
6.如權利要求5所述的電動用具，其特征在于，該電動用具有一個手柄(74)，里面裝有傳感器電極(16)。
全文摘要
一種容性傳感器電路，包括傳感器電極；第一和第二反相施密特觸發器，兩者的閾值電壓相同。反饋電阻器從輸出端給第一觸發器的輸入端提供反饋，第一觸發器及傳感電容器形成頻率取決于傳感電容器大小的振蕩器。第二觸發器輸入端經串聯電阻器接第一觸發器輸出端，并經基準電容器接基準端。反饋電阻器阻值與串聯電阻器阻值相等。若傳感電容小于基準電容，則輸出端出現直流信號，相反，則出現交流信號。
文檔編號H01H36/00GK1103520SQ94107710
公開日1995年6月7日 申請日期1994年6月28日 優先權日1993年7月1日
發明者J·R·迪波爾 申請人:菲利浦電子有限公司