Kapzitive Bedienschnittstellen Berührungstaster für Kochfelder - Applikationsbeispiel

Kapazitive Berührungssensoren finden sich in immer mehr Applikationen: von Mobiltelefonen bis hin zu TV-Geräten. Diese Schnittstellen sind robust, praktisch, einfach zu bedienen und zunehmend erschwinglich. Entwickler können mit diesen Berührungssteuerungen nahezu perfekte Bedienschnittstellen implementieren, wie das folgende Beispiel zeigt. Hal Philipp*

Anbieter zum Thema

Heitec AG

ept GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Die Geräte des slowenischen Küchengeräteherstellers Gorenje sind mit Berührungssensoren (Berührungstastfelder und Slider-ICs) des englischen Anbieters Quantum ausgestattet. Eine Anwenderschnittstelle auf der Basis eines Touchsliders wurde in drei Kochfelder der Reihe Pininfarina integriert. Dafür wurden die QSlide-Sensor-ICs QT401 eingesetzt. Die Kochfelder sind mit bis zu zehn diskreten Berührungstastern ausgestattet, die auf den Quantum-ICs QT1100A basieren. Im Vergleich zu einem Stufenbetrieb, wie er normalerweise von Berührungstasten bekannt ist, ermöglichen diese Berührungstaster- und -slider eine schnellere, effizientere und nahtlose Regelung der Wärmezufuhr.

Bei einer herkömmlichen Stufenregelung berührt der Anwender ein Plus- oder Minusfeld, um die Wärmezufuhr zu erhöhen oder zu verringern. Da dafür nur zwei Berührungsfelder notwendig sind, ist diese Lösung zwar kompakt, hat aber den Nachteil, dass das Einstellen der gewünschten Wärmehöhe viel Zeit in Anspruch nimmt.

Eine kurze Unachtsamkeit kann zum Überkochen führen, wobei der Anwender die Wärme wiederum herunterregeln muss. Stufenweise Regelungen sind daher auf eine bestimmte Anzahl von Stufen begrenzt, um die Bediendauer kurz halten. Erstreckt sich der Einstellungsbereich z.B. von 0 bis 5 ist eine stufenweise Regelung akzeptabel. Eine stufenweise Regelung von 0 bis 20 oder weiter ist verbraucherunfreundlich und erfordert sehr viel Erfahrung beim Regeln.

Ein herkömmlicher mechanischer Drehschalter lässt sich dagegen in Sekundenschnelle bedienen. Gorenje wollte eine Regelung integrieren, die sich genauso schnell wie beim Drehschalter bedienen lässt.

Regelung genauso schnell wie ein Drehschalter

Diese Verbesserung bot sich mit der QSlide-Technologie, die auf einem linearen Sensorstreifen basiert und eine Absolutposition ohne erkennbare Verzögerung verarbeitet. Die Feineinstellung erfolgt über Fingerberührung entlang des Linearsensors, ähnlich wie bei einem Drehschalter. Diese Leistungsmerkmale bieten die Chips QT401, QT411 und QT1106.

Der Sliderchip QT401 und die Tastfeld-Chips QT1100A sind zwei Bausteine, die eine vordefinierte, getestete und zuverlässige Lösung für Anwendungen wie MP3-Player bis hin zu Mikrowellenherden bieten. Bausteine mit dieser Technologie wurden bereits in tausende von Produkten integriert, von denen jedes Jahr Millionenstückzahlen vertrieben werden.

Beide Chips basieren auf der Ladungstransfer-Sensortechnologie, die mit einer Streuspektrum-Signalmodulation gekoppelt ist. Damit lässt sich die Leistungsfähigkeit verbessern und die Störanfälligkeit minimieren. Außerdem sorgt eine automatische Signalkalibrierung und Driftkompensation für eine wartungsfreie Lebensdauer. Mit den Schaltkreisdesigns und Layouts von Quantum muss der Entwickler die Bauteile nur noch mit einem Host-Mikrocontroller verdrahten und die Sensorelektroden konfigurieren. Die beiden Chips lassen sich über ein einfaches serielles SPI-Protokoll an einen Host anschließen, steuern somit verschiedene Einstellungen und holen die Berührungsinformation ein.

Ansprechdauer 50 ms

Der QT401 bietet ein 7-Bit-Absolutpositionsergebnis (0 bis 127) mit einer Ansprechdauer von 50 ms. Er spricht entweder auf eine Fingerberührung oder -bewegung an und sendet die Positionsinformation über eine serielle Schnittstelle zurück an den Host. Das Erfassungsfeld des Bausteins ist auch noch über 5 mm dickem Glas aktiv. Gleichzeitige Messungen erfolgen von beiden Enden des Sensorstreifens; die Signale werden dann verarbeitet und ergeben ein ratiometrisches Ergebnis, das von der Signalstärke unabhängig ist – vorausgesetzt es ist ein minimales Berührungssignal vorhanden, sodass die zu berichtende Position sowohl für einen kleinen als auch großen Finger gleich ist. Ein neuerer pinkompatibler Baustein (QT411) mit thermischer Gleichlauffähigkeit ist ebenfalls verfügbar.

Der QT1100A ist ein 10-Tasten-Chip im 48-poligen Gehäuse, der eine sogenannte Adjacent Key Suppression (AKS) bietet. Diese sorgt für klare Bedienergebnisse, wenn unabsichtlich mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt werden, wie z.B. bei eng angeordneten Tastenfeldern. Der Baustein offeriert ebenfalls eine Fehlererkennung, mit der Designs konform nach IEC und UL (EN60730/UL60730, EN60335) werden. Diese Vorgaben sind für allem bei Kochfeldern von Bedeutung, bei denen der „Aus“-Schalter zu jeder Zeit funktionieren muss.

Slider-Regelungen implementieren

QSlide-Chips nutzen einen einfachen Sensorstreifen, der sich auf zwei Arten einsetzen lässt: einmal als Widerstandselement ähnlich einem Potenziometer entlang des Sensorstreifens hinter dem Bedienpaneel. Das Widerstandselement lässt sich aus aufgedruckter widerstandsfähiger Tinte erstellen oder aus einer Reihe von Kupferrechtecken, die über diskrete Widerstände verbunden sind. Gorenje wählte die letztere Methode (Bild 1).

Eine weitere Möglichkeit ist ein Satz überlappender leitfähiger Elektroden (Bild 2), die den erforderlichen Feldgradienten bilden. Widerstände sind dabei nicht erforderlich. Der Elektrodensatz lässt sich aus der Leiterplattenfläche ätzen. Das widerstandslose Array ist im CAD etwas schwerer darzustellen als der Widerstandstyp. Beide bieten aber die gleiche Funktion und werden über Verbindungen am Streifenende an den Chip angeschlossen (Bild 3).

In der Nähe der Sliderfläche befinden sich eine Reihe quadratischer LEDs, die wie ein herkömmliches VU-Meter fungieren und den eingestellten Wert analog darstellen (Bild 4). Diese LEDs folgen dem Finger bei Einzelberührung und gleitender Bewegung. Hinzu kommt für jede Kochstelle ein zweistelliges LED-Display, das die jeweilige Kochstufe digital anzeigt.

Hohe Empfindlichkeit der Sensoren

In Gorenjes Design wird die Sliderelektroden-Leiterplatte über Abstandshalter mit integrierten Federn und ein 0,5 mm dickes FFC-Kabel an die Hauptsteuerungsplatine angeschlossen (Bild 5). Die gesamte Baugruppe befestigt man im Gerätegehäuse, sodass bei der Glasmontage die Elektrodenplatine und die diskreten Berührungstastenelektroden gegen das Glas gedrückt werden und somit die Tasten bilden. Wie üblich bei Glaskeramik-Kochfeldern, ist die Unterseite der Oberfläche gewellt, um die Festigkeit zu erhöhen. Wird die Elektrodenplatine gegen diese gewellte Oberfläche gedrückt, entstehen in den Vertiefungen Lufteinschlüsse. Bei den meisten kapazitiven Sensoren muss hier Füllmaterial eingebracht werden, um die Übertragung des kapazitiven Feldes zu unterstützen, das sonst durch die Luft zu stark abgeschwächt würde. Gorenje verzichtete auf eine Füllmasse; der QT401 bietet eine ausreichende Empfindlichkeit für eine zuverlässige Berührungserkennung durch Lufteinschlüsse und Glaskeramikoberflächen hindurch.

Die Regelung verwendet ebenfalls geformte Messingteile, die als Kontaktfedern dienen, um die diskreten Berührungstastenelektroden zu integrieren (Bild 4). Wie die Silderelektroden-Platine berühren diese Messingfedern die Innenseite der Glaskeramikoberfläche und stellen somit Berührungsbereiche dar. Zwischen dem Modul und dem Glas ist kein Kleber notwendig, womit sich die Einheit einfach montieren und ersetzen lässt.

Der Anwender sieht nur den Effekt nach außen: eine intuitive, einfach regelbare Bedieneroberfläche, die eine schnell einsehbare Anzeige der Kochstufe und direkte Ansteuerung mittels Fingerberührung sowie eine numerische Anzeige bietet.

*Hal Philipp ist CEO der Quantum Research Group in Hamble, UK.

(ID:217610)