DE10348984A1 - Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung zum Aktivieren oder Deaktivieren einer elektrisch betriebenen Einrichtung - Google Patents

Abstract

Eine bewegungsempfindliche elektronische Schaltung dient zum Aktivieren oder Deaktivieren einer elektrisch betriebenen Einrichtung. Sie besteht aus einem Vibrationssensor, der bei Bewegung zwischen zwei Zuständen, leitend oder komplementär, nichtleitend, hin- und herspringt und der seriell über einen Vorwiderstand an eine elektrische Versorgung angeschlossen ist. Eine Auswerteelektronik aus einem logischen Gatter mit Schalthysterese, einem Schmitt-Trigger und daran angeschlossenem elektronischen Zeitglied mit mindestens einem Schaltausgang greift das widerstandsseitige Potential am Vibrationsschalter ab. Ein Schaltausgang des Zeitglieds ist mit dem Steuereingang des Schalters verbunden. Das Zeitglied wird mit der ansteigenden oder abfallenden Flanke eines Digitalpulses am Gatterausgang für das vorgegebene Zeitintervall gesetzt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine bewegungsempfindliche elektronische Schaltung zum Aktivieren oder Deaktivieren einer elektrisch betriebenen Einrichtung.
• Elektrisch betriebene Einrichtungen sind Energieverbraucher, die je nach elektrischem Leistungsbedarf in ihrer Unterhaltung mehr oder weniger teuer sind. Eine Beschränkung/Reduzierung des Energieverbrauchs auf tatsächliche Nutzungszeiten bedeutet daher unter Umständen eine erhebliche Einsparung und verbessert in Folge die Wirtschaftlichkeit. Hier ist insbesondere an bewegliche Einrichtungen und stationäre Einrichtungen mit beweglichen Bereichen gedacht.
• Beispielsweise sei auf die Informations-/Datenverarbeitung hingewiesen. Zur Steuerung eines PC-Cursors werden sogenannte Mäuse zur Wechselwirkung des Bedieners mit einem PC verwendet, um Daten zu übermitteln/verarbeiten. Die Positionserfassung erfolgt durch Auswertung optischer Signale einer Leuchtdiode, LED, wie beispielsweise in der US 6,111,563 beschrieben.
• Die Ansteuerelektronik für eine Maus, die heute mehr und mehr eingesetzt wird, ist batteriebetrieben. Die Lebenszeit der Batterien in einer solchen Maus ist aufgrund einer beschränkten Energieverwaltung recht kurz, etwa 1 Monat beim Betrieb mit hochwertigen Akkus. Die Datenübertragung zum PC kann eingestellt werden, wenn nach einiger Zeit keine Bewegungsänderung der Maus mehr erfolgt, nicht jedoch die Positionsabfrage und der Betrieb der Optik selbst. Der Strombedarf einer LED für Mäuse liegt immer noch nur im Bereich einiger Milliampere.
• In der US 2 022 035 701 wird ein Verbrauchsleitsystem für eine optische Maus beschrieben, das auf kapazitiven Näherungssensoren beruht. Die Sensoren sind verhältnismäßig einfach aufzubauen, jedoch ist die Auswertung aufwendig und teuer, da die Reichweite sehr gering ist. Große Reichweiten erfordern große kapazitive Flächen, die in kleinen Geräten nicht oder nur umständlich einzurichten sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bewegungsempfindliche elektronische Schaltung zum Aktivieren oder Deaktivieren einer elektrisch betriebenen Einrichtung bereitzustellen, die einen einfachen, zuverlässigen Aufbau hat und in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
• Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete elektronische Schaltung gelöst. Sie besteht aus einem Vibrationssensor, der zwei Zustände einnehmen kann, einen leitenden oder den dazu komplementären, den sperrenden Zustand. Bei beschleunigten Bewegungen springt er zwischen diesen beiden Zuständen entsprechend der Bewegungsart mehr oder weniger schnell hin und her. Der Vibrationssensor ist ein bewegungsempfindlicher Schalter. Er ist seriell über einen Vorwiderstand an eine elektrische Versorgung angeschlossen. Dieser Kreis aus elektrischer Versorgung, Vorwiderstand und Vibrationssensor dient als Signalgeber.
• Zu der Schaltung gehört eine Auswerteelektronik, die aus einem logischen Gatter mit Schalthysterese (Schmitt-Trigger-Charakteristik) besteht. An das Gatter ist ein elektronisches Zeitglied mit mindestens einem Schaltausgang angeschlossen, das vorteilhafterweise als retriggerbares Monoflop mit Schmitt-Trigger-Eingangscharakteristik ausgeführt ist. Der Schaltausgang ist auf den Steuereingang des Schalters für die ein- bzw. auszuschaltende Einrichtung gelegt. Eingangsseitig ist die Auswerteelektronik, also das logische Gatter, an die Vorwiderstandsseite des Vibrationssensors angeschlossen, um dort das momentane elektrische Potential abzugreifen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Potentialschwelle am Ausgang des Gatters einen definierten elektrischen Puls zu starten, der bei folgendem Unterschreiten einer ebenfalls vorgegebenen 2.ten Potentialschwelle, die einen anderen Wert als die erste Potenzialschwelle besitzt, wieder endet. Der Potentialpuls wird mit dem Gatter digitalisiert. Am Ausgang des Gatters wird aufgrund dieses Potentialpulses ein definierter Puls erzeugt, der zwar die zeitliche Dauer zwischen Potentialschwellen-Überschreitung und folgender Potentialschwellen-Unterschreitung wiedergibt, sonst aber stets ein und dieselbe Signalhöhe hat. Die beiden Potentialschwellen des Gatters sind bedeutsam, da der Vibrationssensor nicht notwendigerweise zwischen zwei definierten Potentialen hin und herspringt, sondern je nach Art der Bewegung der Vibrationssensor nicht völlig in den leitenden Zustand springt und eventuell durchaus kurz einen höherohmigen Leitzustand einnimmt, dessen Widerstandswert vergleichbar dem des Vorwiderstands ist.
• Der digitalisierte Puls wirkt auf das Zeitglied und damit auf den Steuereingang des ausgangsseitig angeschlossenen Schalters. Elektronisch werden hier allgemein die beiden Flanken, die ansteigende und abfallende, des digitalisierten Pulses genutzt. Es gibt vier Möglichkeiten, die Flanken zu nutzen: nur die Anstiegsflanke oder nur die abfallende Flanke oder nur die Anstiegsflanke zum Schalten und die abfallende Flanke zum Setzen des Zeitglieds oder umgekehrt. Die Festlegung auf eine der vier wird vom Anwendungsfall bestimmt. Wesentlich ist, dass das Zeitglied mit jedem folgenden digitalen Puls erneut gesetzt wird. Der Schaltausgang des Zeitglieds bleibt in seinem Zustand, wenn die digitalen Pulse innerhalb des eingestellten Zeitintervalls aufeinander folgen. Der Schaltausgang ändert seinen Zustand erst, wenn nach einem digitalen Puls eine Pulspause folgt, die größer als das am Zeitglied eingestellte Zeitintervall ist. Bei der Schaltungsrealisierung wird festgelegt, ob nur das Zeitglied mit der ansteigenden oder abfallenden Flanke eines Digitalpulses am Gatterausgang für das vorgegebene Zeitintervall gesetzt wird und den Schaltausgang, der zunächst ebenfalls mit der ansteigen den oder abfallenden Flanke dieses Digitalpulses am Gatterausgang von einem vorhergehenden Zustand in den dazu komplementären gesetzt wird, bei gesetztem Zeitintervall in diesem hält, also die bewegungsempfindliche Schaltung entweder in Ruhe ist oder sich eventuell im Zustand der gleichförmigen/unbeschleunigten Bewegung befindet.
• In den Unteransprüchen 2 bis 4 sind die Bauteile der Schaltung spezifiziert. So ist nach Anspruch 2 der Vibrationssensor ein SMD-Kugelschalter, wie beispielsweise aus der DE 101 15 416 bekannt. SMD ist ein Kürzel aus der Elektronik und bedeutet: Surface mounted device. Dieser Kugelschalter ist für räumlich sehr kleine Bauweisen oder integrierte Bauweisen geeignet.
• Für andere Einsatzfälle kann der Kugelschalter diskret als solcher und räumlich größer gebaut sein. Grundsätzlich wird der Vibrations-/Bewegungssensor anwendungsgerecht ausgewählt und eingebaut. Vom Prinzip her, weil auf beschleunigte Bewegungsvorgänge reagiert werden soll, kann dieser Vibrationssensor auch nach dem mechanischen Federprinzip, Blatt- oder Schraubenfeder, arbeiten.
• Das Zeitglied ist ein elektronischer Baustein und beispielsweise nach Anspruch 3 ein monostabiler, retriggerbarer Multivibrator mit Schmitt-Trigger-Eingang und für einstellbare Zeitintervalle im Sekunden- bis Minuten-Bereich geeignet. Für sehr lange Zeitintervalle im Minutenbereich bis Stundenbereich ist ein Mikroprozessor oder einfacher eine Zeitschaltuhr verwendbar (Anspruch 4).
• Der Schalter, der das Gerät in den aktiven oder inaktiven Zustand versetzt, ist beispielsweise ein FET oder ein IGBT oder Bipolartransistor oder ein sonstiger geeigneter elektronischer oder elektromechanischer Schalter (Anspruch 5).
• Verwendung kann die bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 6 bei vielen Einrichtungen finden, z.B. bei einer Maschine oder einem Fahrzeug oder einem Bewegungsmelder oder ein bewegliches Werkzeug/Instrument/Gerät wie ein Bügeleisen (Anspruch 6).
• Ein spezieller Verwendungsfall ist der nach Anspruch 7 in einer Maus, wie zur Steuerung eines PC-Cursors verwendet wird. Dort ist auffällig bisher, wie oft und lange an Arbeiten mit dem PC eine solche Maus nur kurz oder mit langen Pausen bewegt wird.
• Der Aufbau der Schaltung richtet sich nach dem Einsatzfall. In kleinen Geräten ist Schaltung mit auf einer elektronischen Platine diskret aufgebaut oder liegt samt Vibrationssensor als integrierter Baustein vor.
• Die Vorteile der bewegungsempfindlichen elektronischen Schaltung bestehen in der Einführung eines intelligenten Power-Managements. Mit dieser Schaltung lässt sich die Energieaufnahme nahezu auf diesen jeweiligen Zeitraum beschränken, in dem das Gerät tatsächlich aktiv sein muss, funktionieren soll. Man erhält ganz erheblich höhere Betriebsdauer und Einsatzbereitschaft des Geräts.
• Eine vorgeschlagene, beispielhafte Lösung dient zum Aktivieren oder Deaktivieren einer Maus, wie sie bei PC-Arbeiten benutzt wird, und wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
• 1 zeigt eine Blockbilddarstellung des Geräts,
• 2 das Schalt und Ansteuerverhalten.
• Als Vibrationssensor wird der in der DE 101 15 416 beschriebene SMD-Kugelschalter verwendet. In 1 ist dieser als die im Gefäß gefasste Kugel stilisiert. Der Kugelschalter ist hockempfindlich für kleinste Beschleunigungen und deshalb für den Einsatz in einer solchen räumlich kleinen PC-Maus gut geeignet. Mit diesem Kugelschalter werden leichte Bewegungen, wie sie beim Verschieben der Maus auftreten, sofort detektiert.
• Der Kugelschalter ist in Reihe mit dem 1 MΩ großen Vorwiderstand an die mit Wort in 1 erwähnte Batterie angeschlossen. Im Ruhezustand sitzt die Kugel am Boden ihres Gefäßes zentral und berührt die Wände nicht, der Kugelschalter ist im sperrenden Zustand geöffnet. An seinem vorwiderstandsseitigen Anschluss besteht so das elektrische Hochpotential, falls der zentrale Bodenbereich des Kugelgefäßes an das Bezugspotential, beispielsweise Erde, angeschlossen ist. Wird die Maus beschleunigt bewegt, verharrt die Kugel und bewegt sich nicht mit, bis sie die Gefäßmantelwand, die elektrisch leitend wie der zentrale Bodenbereich ist, berührt und eine Brücke zum zentralen Bodenbereich bildet. Jetzt wird an der Vorwiderstandsseite des Kugelschalters der Potentialpuls erzeugt, der an den Eingang des Schmitt-Triggers in der Auswerteelektronik geführt wird. Der Schmitt-Trigger hat eine Einschaltschwelle und wird beim Überschreiten gestartet. An seinem Ausgang beginnt der Rechteckimpuls bis zu der elektronisch festgelegten Spannungshöhe und dauert so lange, so lange die Kugel Wand und Boden des Gefäßes elektrisch überbrückt (siehe oberen Verlauf in 2). Der Schmitt-Trigger wirkt auf das nachfolgende Zeitglied der Auswerteelektronik. Der Schaltausgang des Zeitgliedes ist an den Steuereingang des Schalters gelegt, der hier ein Transistor oder ein FET oder ein Relais sein kann.
• Der Vorgang ist so eingestellt, dass mit Start des Potentialpulses nach längerer Zeit als das eingestellte Zeitintervall des Zeitglieds der Schalter für die Elektronik der Maus durch den beginnenden Digitalpuls am Schmitt-Trigger-Ausgang durch das Zeitglied hindurch in den aktiven, den leitenden Zustand versetzt wird und damit die Maus-Elektronik aktiviert hält.
• Mit der abfallenden Flanke des Digitalpulses am Schmitt-Trigger-Ausgang und damit dem Unterschreiten seiner Ausschaltschwelle wird das Zeitglied gesetzt und der Schalter in seinem Zustand gehalten (siehe 2 unterer Verlauf). Der Folgepuls am Schmitt-Trigger-Ausgang ändert den Zustand des Schalters nicht, da er innerhalb des eingestellten Zeitintervalls liegt, setzt aber erneut mit seiner abfallenden Flanke das Zeitglied.
• Die folgende Pulspause am Schmitt-Trigger-Ausgang ist länger als das Zeitintervall, somit fällt der Schalter in seinen Ruhezustand, den sperrenden, zurück und bleibt in diesem, bis erneut ein Potentialpuls, der über die Einschaltschwelle des Schmitt-Triggers steigt, auf der Vorwiderstandsseite des Kugelschalters auftritt.
• Der Schalter wird mit Beginn eines Potentialpulses nach längerer Zeit als das eingestellte Zeitintervall geschaltet. Das Zeitglied wird mit Ende dieses Pulses erstmals gesetzt. Die gesamte Schaltungselektronik lässt sich platzsparend auf der Steuerelektronik der Maus integrieren.

Claims (10)

1. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung zum Aktivieren oder Deaktivieren einer elektrisch betriebenen Einrichtung, bestehend aus: einem Vibrationssensor, der bei Bewegung zwischen zwei Zuständen, leitend oder komplementär: nichtleitend, hin und herspringt und der seriell über einen Vorwiderstand an eine elektrische Versorgung angeschlossen ist, einer Auswerteelektronik aus einem logischen Gatter mit Schalthysterese, einem Schmitt-Trigger, und daran angeschlossenem elektronischen Zeitglied mit mindestens einem Schaltausgang, wovon einer auf den Steuereingang des Schalters für die Einrichtung gelegt ist, dabei ist die Auswerteelektronik eingangsseitig an die Vorwiderstandsseite des Vibrationssensors angeschlossen, um dort das momentane elektrische Potential abzugreifen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Potentialschwelle am Ausgang des Gatters einen definierten elektrischen Puls zu starten, der bei folgendem Unterschreiten einer ebenfalls vorgegebenen Potentialschwelle wieder endet – Digitalisierung, wobei das Zeitglied mit der ansteigenden oder abfallenden Flanke eines Digitalpulses am Gatterausgang für das vorgegebene Zeitintervall gesetzt wird und den Schaltausgang, der zunächst ebenfalls mit der ansteigenden oder abfallenden Flanke dieses Digitalpulses am Gatterausgang von einem vorhergehenden Zustand in den dazu komplementären gesetzt wird, bei gesetztem Zeitintervall in diesem hält.
2. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationssensor ein SurfaceMountedDevice-Kugelschalter, ein bedrahteter Kugelschalter oder ein Bewegungssensor mit Vorwiderstand ist.
3. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied ein monostabiler, retriggerbarer Multivibrator mit Schmitt-Trigger-Eingängen ist.
4. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied ein Mikroprozessor ist.
5. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter des Geräts ein FET oder ein IGBT oder bipolar-Transistor oder ein sonstiger geeigneter elektronischer oder elektromechanischer Schalter ist.
6. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Maschine oder ein Fahrzeug oder ein Bewegungsmelder oder ein bewegliches Werkzeug/Instrument/Gerät ist.
7. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Maus wie zur Steuerung eines PC-Cursors ist.
8. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationssensor ein Kugelschalter ist.
9. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung diskret aufgebaut ist.
10. Bewegungsempfindliche elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung integriert aufgebaut ist.