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Zur Steuerung von elektrisch steuerbaren Empfängern, wie Relais oder
Anzeigegliedern in Fernmelde-, insbesondere Fernsprechanlagen, ist es bekannt, Schalterelemente
in Form von Tasten, Druckknopftastern od. dgl. zu verwenden, die mit Schaltkontakten
mechanisch gekoppelt sind. Die Anforderungen, die allein aus betriebstechnischen
Gründen an derartige Schalterelemente gestellt werden, sind erheblich, so daß für
deren Fertigung vielfach erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden sind. Weiterhin
benötigen selbst Schalterelemente kleinster Bauart im Verhältnis zu den zu steuernden
Aggregaten einen übermäßigen Platzbedarf, der nicht immer vorhanden ist. Auch die
Schaltgeschwindigkeit derartiger Schalterelemente ist infolge der bei Schaltvorgang
zu bewegenden Massen begrenzt.
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Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten ist man bereits dazu übergegangen,
kontaktlose Schalterelemente zu entwickeln, die allein bei Hand- oder Fingerberührung
wirksam werden und infolge der damit verbundenen Scheinwiderstandsänderung in einem
Wechselstromkreis in diesem angeordnete Schaltglieder beeinflussen.
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Diese Schalterelemente arbeiten im allgemeinen in der Weise, daß das
über den berührenden Finger wirksame Erdpotential zur Verstimmung einer normalerweise
abgestimmten Brückenschaltung oder aber zur Zündung einer Kaltkathodenröhre führt,
indem die eine Brückenkapazität oder die im Ruhezustand wirksame Kapazität zwischen
Steuerelektrode und der auf Erdpotential liegenden Kathode durch den parallel wirksamen
menschlichen Körper kurzgeschlossen wird.
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So vorteilhaft diese kontaktlosen Schalterelemente gegenüber den herkömmlichen
Schalterelementen mit mechanischen Kontakten auch erscheinen, so weisen sie doch
erhebliche Nachteile auf. Einmal sind derartige Schalterelemente nicht ungefährlich,
da bei einer Störung im ungünstigsten Falle die gesamte Steuerspannung über den
menschlichen Körper gegen Erde liegen kann. Zum anderen erfordern derartige Anordnungen
einen erheblichen Aufwand für die Abschirmung des Schalterelementes gegen Erde,
um überhaupt annähernd definierte Schaltkreisverhältnisse zu schaffen und damit
eine einwandfreie Steuerung zu ermöglichen. Letzteres gilt auch für den Fall, wenn
entsprechend einer bekannten Anordnung die Berührungselektrode des Schalterelementes
mit einem Isolationsüberzug versehen ist. Weiterhin bedingen die mit der Fingerberührung
verbundenen Umstände besondere Rücksichten bei der Dimensionierung der einzelnen
Schaltkreise, da die Steuerfunktion im allgemeinen sowohl bei feuchten Fingern als
dem einen Grenzfall als auch bei behandschuhten Fingern als dem anderen Grenzfall
erfüllt werden soll und daher die zum Schalten ausnutzbare Scheinwiderstandsänderung
nur gering ist. Einheitliche Schaltkreise für die bekannten Schalterelemente lassen
sich daher nur sehr schwer verwirklichen.
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Das Schalterelement gemäß der Erfindung vermeidet die Nachteile der
bekannten kontaktlosen Schalterelemente dadurch, daß die beiden als Flächenelektroden
ausgebildeten Beläge des als Steuerkondensator wirksamen Schalterelementes mit einer
Isolierschicht vorzugsweise hoher Dielektrizitätskonstante überzogen sind und daß
der als Dielektrikum wirkende Luftraum durch Formgebung der Elektroden derart ausgebildet
ist, daß ein hier eingebrachter Finger unter Berührung mindestens einer Isolierschicht
kapazitätsändernd wirkt.
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Durch die Ausbildung des Schalterelementes als Steuerkondensator mit
fest vorgegebenen geometrischen Abmessungen wird erreicht, daß der im nicht berührten
Zustand wirksame Scheinwiderstand unabhängig ist von der Anordnung des Schalterelementes,
bezogen auf das möglicherweise beeinflussende Erdpotential. Dieses wiederum ermöglicht
eine einfache und einheitliche Dimensionierung der Schaltkreise, da als Grenzfall
für die Festlegung des Schaltverhältnisses lediglich die sich bei Berührung mit
einem behandschuhten Finger ergebende Kapazitätsvergrößerung zu berücksichtigen
ist.
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Durch die als Isolierschichten wirkenden Dielektrika ist zudem ein
ausreichender Berührungsschutz gegeben, so daß bei entsprechenden Störungen weder
zwischen den Berührungsflächen noch zwischen einer der Berührungsflächen und Erde
den Menschen gefährdende Spannungen auftreten können.
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Um dabei die durch die isolierenden Dielektrika gegebene Beeinträchtigung
des Schaltverhältnisses möglichst gering zu halten, ist das Verhältnis zwischen
der sich aus dem mittleren Dielektrikum Luft ergebenden Teilkapazität und der sich
aus den beiden Teilkapazitäten der isolierenden Dielektrika ergebenden Summenkapazität
möglichst klein zu gestalten. Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so mehr entspricht
das Schaltverhältnis des Schalterelementes der Kapazitätsänderung der sich aus dem
mittleren Dielektrikum Luft ergebenden Teilkapazität bei Berührung mit dem Finger.
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Die zur Aussteuerung des zu schaltenden Wechselstromkreises erforderliche
geringste Kapazitätsänderung des Steuerkondensators bei Berührung mit einem behandschuhten
Finger kann in einfacher Weise durch entsprechende konstruktive Gestaltung der beiden
Flächenelektroden und durch genaue Festlegung des Berührungspunktes erzwungen werden.
Dabei ist es zweckmäßig, gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung die Isolierschicht
wenigstens der zu berührenden Anschlußelektroden des Steuerkondensators mit einer
elektrisch leitenden Schicht zu überziehen, um die sich aus der unterschiedlichen
Berührung ergebenden Schwankungen des Schaltverhältnisses auszuschalten.
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Weitere Einzelheiten des Gegenstandes nach den Ansprüchen seien nachstehend
an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im
einzelnen zeigt F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Steuerstromkreises; F i g.
2 und 3 zeigen je ein Schalterelement mit in einer Ebene angeordneten Elektroden,
F i g. 4 und 5 je ein Schalterelement mit in zwei parallelen Ebenen angeordneten
Elektroden; F i g. 6 zeigt ein Schalterelement mit in zueinander winkelig stehenden
Ebenen angeordneten Elektroden und F i g. 7 die Zusammenfassung mehrerer Schalterelemente
mit einer gemeinsamen Elektrode zur Steuerung verschiedener Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtungen.
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Der in F i g. 1 in Form eines Blockschaltbildes gezeigte Steuerstromkreis
besteht aus der festen Reihenschaltung eines Schalterelementes SK mit einer Wechselstromquelle
G und dem Empfänger A.
Die Arbeitsweise dieses Steuerstromkreises
ist folgende: Im Ruhezustand, also bei nicht berührtem Schalterelement, ist der
Scheinwiderstand des als Kondensator wirkenden Schalterelementes so groß, daß der
Empfänger A nicht ansprechen kann. Dieser rein kapazitive Scheinwiderstand ergibt
sich aus der Reihenschaltung der durch die beiden Dielektrika D 1 und D
2 gebildeten Teilkapazitäten, die den Anschlußelektroden E 1 und E 2 des
Schalterelementes unmittelbar vorgelagert sind und als Berührungsschutz wirken,
und der durch das zwischen diesen beiden Dielektrika wirksame Dielektrikum Luft
gebildeten Teilkapazität. Durch Einbringen eines Fingers in den Zwischenraum zwischen
den beiden Dielektrika D 1 und D 2 wird nun die durch das Dielektrikum
Luft gebildete Teilkapazität und damit der gesamte Scheinwiderstand des Schalterelementes
SK geändert. Die hierdurch bedingte Stromerhöhung im Steuerstromkreis führt bei
entsprechender Dimensionierung zum Ansprechen des Empfängers, der in bekannter Weise
aus einem Relais, einem Transistor od. dgl. bestehen kann.
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Das Schaltverhalten eines Schalterelementes ist im allgemeinen charakterisiert
durch das Verhältnis der in der Ruhe- und Arbeitslage des Schalterelementes wirksamen
Widerstände. Um in allen Fällen ein sicheres Arbeiten eines vorgegebenen Steuerstromkreises
zu gewährleisten, darf dieses Verhältnis einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten.
Bei dem vorliegenden Schalterelement wird dieses dadurch sichergestellt, daß mindestens
eine der beiden Elektroden zu berühren ist. Durch den Zwang zur Berührung bei Betätigung
des Schalterelementes reduziert sich das zunächst elektrische Problem auf ein rein
konstruktives, das in einfacher Weise durch genaue Fixierung des Berührungspunktes,
bezogen auf die Gegenelektrode, und durch entsprechende konstruktive Ausbildung
der Berührungsflächen gelöst werden kann, gleichgültig, welche Beschaffenheit der
berührende Finger aufweist.
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Für die konstruktive Ausgestaltung der beiden Elektroden untereinander
ist weiterhin zu beachten, daß sich die Berührung durch den Finger vorwiegend auf
die zwischen den beiden Dielektrika D 1 und D 2 wirksame Teilkapazität auswirkt,
so daß die im Steuerstromkreis wirksame Scheinwiderstandsänderung infolge der Reihenschaltung
der drei Teilkapazitäten kleiner ist als die Änderung der mittleren Teilkapazität.
Will man nun die Änderung der mittleren Teilkapazität des Schalterelementes infolge
Berührung in möglichst weitem Maße für die Aussteuerung des Steuerstromkreises nutzbar
machen, so ist der konstruktive Ausbau des Schalterelementes so zu gestalten, daß
die im Ruhezustand wirksame und durch das Dielektrikum Luft gebildete mittlere Teilkapazität
wesentlich kleiner ist als die sich aus der Reihenschaltung der die beiden Isolierschichten
bildenden Teilkapazitäten ergebende Summenkapazität.
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Um weiterhin zu erreichen, daß die durch Fingerberührung erzielte
Änderung der mittleren Teilkapazität optimal ist, ist mindestens die Isolierschicht
der zu berührenden Elektrode mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen. Die
bei Berührung durch den Finger wirksame Auflagefläche des Fingers ist individuell
verschieden. Das hat zur Folge, daß der aus der unbedeckten Elektrodenfläche austretende
Verschiebungsfluß weiterhin durch die Luft zum berührenden Finger oder zur Gegenelektrode
hin abgeleitet wird, während der aus der Berührungsfläche austretende Verschiebungsfluß
über den als leitend anzusehenden Finger abgeleitet wird, so daß ähnliche Verhältnisse
wie bei parallelgeschalteten Dielektrika gegeben sind. Durch die elektrisch leitende
Schicht auf der Berührungselektrode wird nun der gesamte Verschiebungsfluß über
den berührenden Finger abgeleitet und damit das Schaltverhalten des Steuerschalters
nahezu unabhängig von der Größe der Berührungsfläche.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 sind beide Flächenelektroden
als Berührungselektroden ausgebildet und in einer Ebene angeordnet. Beide Elektroden
E 1 und E 2 bilden halbkreisförmige Segmente, die durch einen Luftspalt voneinander
getrennt sind. Bei Berührung beider Elektroden mit dem Finger werden die auf den
Dielektrika D 1 und D 2 angebrachten elektrisch leitenden Berührungsschichten unmittelbar
miteinander verbunden, so daß nur noch die Reihenschaltung der durch die beiden
Isolationsschichten gebildeten Teilkapazitäten wirksam ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 sind beide Elektroden gleichfalls
in einer Ebene angeordnet. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g.
2 ist lediglich die eine Elektrode E 1 als Berührungselektrode ausgebildet, um die
die Gegenelektrode E 2 einen Ring bildet. Eine Berührung der Elektrode E
1 wirkt in diesem Falle wie eine Flächenvergrößerung dieser Elektrode gegenüber
der Gegenelektrode E 2.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 sind die beiden Elektroden
in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet. Die Elektrode E 1 ist dabei als Ring ausgebildet,
während die Gegenelektrode E 2 die Bodenfläche einer durch den Elektrodenring E
1 eingefaßten Tastmulde bildet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 bilden die in zwei zueinander
parallelen Ebenen angeordneten Elektroden E 1 und E 2 die seitlichen Begrenzungsflächen
einer Tastmulde.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 sind beide Elektroden in
zueinander winkelig stehenden Ebenen angeordnet, die gleichzeitig Begrenzungsflächen
einer Tastmulde sind.
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F i g. 7 zeigt in Anlehnung an den Steuerstromkreis gemäß F i g. 1
eine Schaltungsanordnung, die es ermöglicht, aus einer Mehrzahl von Auswerteeinrichtungen
wahlweise jeweils eine Auswerteeinrichtung anzusteuern. Derartige Anordnungen sind
beispielsweise bei Tastatureinrichtungen erforderlich. Analog zu diesen bekannten
Schaltungsanordnungen ist jeweils ein Auswerteschaltglied mit einem individuellen
Schalterelement in Reihe und die sich so ergebenden Steuerstromzweige parallel zueinander
an die gemeinsame Wechselstromquelle angeschaltet. Dabei sind die Gegenelektroden
der einzelnen Schalterelemente SK 1 bis SK n zu einer gemeinsamen
Gegenelektrode Eg zusammengefaßt.
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Als Auswerteschaltglieder eignen sich besonders Glimmlampen Gl
1 bis Gl n (F i g. 7), die mit individuellen lichtempfindlichen
Widerständen, z. B. Fotodioden F 1 bis F n, gekoppelt sind. Diese lichtempfindlichen
Widerstände werden beim Zünden der zugehörigen Glimmlampen niederohmig geschaltet
und ermöglichen so die indirekte Ansteuerung von die Schaltfunktion vollziehenden
Schaltgliedern, z. B.
Relais. Eine derartige Schaltungsanordnung
wird in vorteilhafter und einfacher Weise all den Anforderungen gerecht, die an
solche Schaltungen zu stellen sind. Sie ist billig, raumsparend und durch die Trennung
von Steuer- und Schaltstromkreis in hohem Maße betriebssicher sowie einfach zu dimensionieren.
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Der Widerstand R dient einerseits der Strombegrenzung für die jeweils
gezündete Glimmlampe und bewirkt andererseits, daß jeweils nur eine Glimmlampe zünden
kann. Der dabei am Vorwiderstand wirksam werdende Spannungsabfall kann in vorteilhafter
Weise zur Betätigung eines Signalschaltgliedes ausgenutzt werden, als Zeichen für
den Bedienenden, daß die von ihm gewünschte Steuerfunktion auch wirklich ausgeführt
wird.
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Um sicherzustellen, daß die Glimmlampen nur für die Dauer der Berührung
des Schalterelementes SK durch den befehlgebenden Finger gezündet bleibt, muß die
durch die Berührung bewirkte Kapazitätsänderung des Schalterelementes SK so groß
sein, daß an der Glimmlampe eine Spannungsänderung in einem Verhältnis zwischen
der Zünd- und der Löschspannung der zu steuernden Glimmlampe ist. In Steuerstromkreisen,
in denen trotz an sich ausreichender Kapazitätsänderung des Steuerkondensators SK
bei Berührung die an der Glimmlampe GI wirksame Spannungsänderung infolge der zu
geringen Glimmlampenkapazität kleiner ist als das Verhältnis zwischen Zünd- und
Löschspannung, kann eine Erhöhung der wirksamen Spannungsänderung durch Parallelschalten
eines Kondensators Cp zur Glimmlampe Gl erzielt werden. Andererseits bedingt die
Parallelkapazität zur Glimmlampe bei ausreichender Spannungsänderung in einfacher
Weise eine Erhöhung der Schaltsicherheit.