В этом посте мы всесторонне обсуждаем 3 основных схемы датчика приближения со многими схемами приложений и подробными характеристиками схемы. Первые две схемы емкостного датчика приближения используют простые концепции на основе IC 741 и IC 555, в то время как последняя немного более точна и включает в себя прецизионную конструкцию на основе IC PCF8883.

1) Использование IC 741

Схема, описанная ниже, может быть сконфигурирована для активации реле или любой подходящей нагрузки, такой как водопроводный кран , как только человеческое тело или рука приблизятся к пластине емкостного датчика. При определенных условиях близости руки достаточно только для срабатывания выхода схемы.

IC 741 датчик приближения емкостного сенсорного датчика

Вход с высоким импедансом обеспечивается Q1, который представляет собой обычный полевой транзистор, такой как 2N3819. Стандартный операционный усилитель 741 используется в виде чувствительного переключателя уровня напряжения, который впоследствии управляет токовым буфером Q2, биполярным pnp-транзистором среднего тока, таким образом активируя реле, которое можно использовать для переключения устройства, такого как сигнализация, кран и т. Д. .

Пока схема находится в состоянии ожидания, напряжение на выводе 3 операционного усилителя фиксируется на уровне, превышающем уровень напряжения на выводе 2, путем соответствующей настройки предварительно установленного VR1.

Это гарантирует, что напряжение на выходном контакте 6 будет высоким, в результате чего транзистор Q2 и реле останутся выключенными.

Когда палец приближается к сенсорной пластине или слегка касается, уменьшение противоположного смещения VGS увеличит ток стока полевого транзистора Q1, и результирующее падение напряжения на R1 снизит напряжение на контакте 3 операционного усилителя ниже напряжения, существующего на штифт 2.

Это приведет к падению напряжения на контакте 6 и, следовательно, к включению реле с помощью Q2. Резистор R4 может быть определен для того, чтобы реле оставалось выключенным при нормальных условиях, учитывая, что крошечное положительное напряжение смещения может развиться на выходе вывода 6 операционного усилителя, даже если напряжение на выводе 3 окажется ниже, чем напряжение на выводе 2 в состояние покоя (простоя). Эту проблему можно решить, просто добавив светодиод последовательно с базой Q2.

2) Использование IC 555

В сообщении описывается эффективная схема емкостного датчика приближения на основе IC 555, которая может использоваться для обнаружения злоумышленников вблизи дорогостоящего объекта, такого как ваш автомобиль. Идея была предложена мистером Максом Пэйном.

Запрос схемы

Привет Свагатам,

Пожалуйста, разместите емкостную / корпусную / чувствительную цепь, которая может быть применена на велосипеде. Такое устройство замечено в автомобильной охранной системе, когда кто-то приближается к машине или простая 1-дюймовая близость, включала тревогу на 5 секунд.

Как работает этот тип сигнала тревоги: сигнал тревоги срабатывает только тогда, когда кто-то подходит ближе (скажем, на 30 см). Какой тип датчика они используют?

Принципиальная электрическая схема

Изображение схемы предоставлено: Elektor Electronics

Дизайн

Схема емкостного датчика может быть понята с помощью следующего описания:

IC1 в основном имеет нестабильную разводку, но без реального конденсатора. Здесь вводится емкостная пластина, которая занимает место конденсатора, необходимого для нестабильной работы.

Следует отметить, что емкостная пластина большего размера будет давать более надежный отклик схемы.

Поскольку схема предназначена для работы в качестве системы предупреждения о приближении к телу транспортного средства, сам корпус можно использовать в качестве емкостной пластины, и ее огромный объем вполне подходит для этого приложения.

После интеграции пластины емкостного датчика приближения IC555 переходит в положение ожидания для нестабильных действий.

При обнаружении «заземляющего» элемента в непосредственной близости, которым могла бы быть рука человека, необходимая емкость вырабатывается на контакте 2/6 и заземлении ИС.

Вышесказанное приводит к мгновенному увеличению частоты, когда ИС начинает колебаться в нестабильном режиме.

Нестабильный сигнал поступает на вывод 3 ИС, который соответствующим образом «интегрируется» с помощью R3, R4, R5 вместе с C3 ---- C5.

«Интегрированный» результат подается на каскад операционного усилителя, который используется как компаратор.

Компаратор, сформированный вокруг IC2, реагирует на это изменение от IC1 и преобразует его в напряжение срабатывания, управляя T1 и соответствующим реле.

Реле может быть подключено к сирене или клаксону для необходимой сигнализации.

Однако на практике видно, что микросхема IC1 генерирует пиковый импульс напряжения с положительной на отрицательную полярность в момент, когда рядом с пластиной обнаруживается емкостное заземление.

IC2 реагирует исключительно на это внезапное повышение пикового напряжения для требуемого запуска.

Если емкостное тело продолжает находиться в непосредственной близости от пластины, пиковое частотное напряжение на выводе 3 исчезает до уровня, который может быть не обнаружен IC2, что делает его неактивным, то есть реле остается активным только в момент включения емкостного элемента. или удаляется около поверхности пластины.

P1, P2 можно настроить для получения максимальной чувствительности от емкостной пластины.
Для получения фиксирующего действия выход IC2 может быть дополнительно интегрирован в схему триггера, что делает схему емкостного датчика приближения чрезвычайно точной и чувствительной.

3) Использование IC PCF8883

IC PCF8883 спроектирован так, чтобы работать как прецизионный переключатель емкостного датчика приближения, благодаря уникальной (запатентованной EDISEN) цифровой технологии для определения мельчайших различий в емкости вокруг указанной чувствительной пластины.

Основные особенности

Основные характеристики этого специализированного емкостного датчика приближения можно изучить следующим образом:

IC PCF8883 особенности этого специализированного емкостного датчика касания и приближения

На следующем изображении показана внутренняя конфигурация IC PCF8883.

IC не полагается на традиционные динамический емкостный режим измерения скорее обнаруживает изменение статической емкости, применяя автоматическую коррекцию посредством непрерывной автокалибровки.

Датчик в основном представляет собой небольшую проводящую фольгу, которая может быть непосредственно интегрирована с соответствующими выводами ИС для предполагаемого емкостного измерения или, возможно, подключена на большие расстояния через коаксиальные кабели для обеспечения точных и эффективных удаленных емкостных операций обнаружения приближения.

На следующих рисунках показаны детали распиновки IC PCF8883. Подробное функционирование различных выводов и встроенных схем можно понять с помощью следующих пунктов:

Технические характеристики микросхемы PCF8883

Распиновка Подробная информация о микросхеме PCF8883

Распиновка IN, которая должна быть связана с внешней емкостной чувствительной фольгой, связана с внутренней RC-цепью IC.

Время разряда сети RC, заданное tdch, сравнивается со временем разряда второй встроенной сети RC, обозначенной как tdchimo.

Две RC-цепи проходят периодическую зарядку от VDD (INTREGD) через пару идентичных и синхронизированных коммутационных сетей, а затем разряжаются с помощью резистора на Vss или землю.

Скорость, с которой выполняется этот заряд, регулируется частотой дискретизации, обозначенной «fs».

В случае, если разность потенциалов видно будет падать ниже заданного внутреннего опорного напряжения VM, соответствующий выходной сигнал компаратора имеет тенденцию становиться низкой. Логический уровень, который следует за компараторами, идентифицирует точный компаратор, который фактически мог переключиться раньше другого.

И если определено, что верхний компаратор сработал первым, это приводит к отображению импульса на CUP, тогда как если обнаруживается, что нижний компаратор переключился до верхнего, тогда импульс активируется на CDN.

Вышеупомянутые импульсы участвуют в управлении уровнем заряда внешнего конденсатора Ccpc, связанного с выводом CPC. Когда на CUP генерируется импульс, Ccpc заряжается через VDDUNTREGD в течение заданного периода времени, что вызывает повышение потенциала на Ccpc.

Совершенно аналогично, когда импульс рендерится в CDN, Ccpc связывается с устройством стока тока на землю, что разряжает конденсатор, вызывая коллапс его потенциала.

Всякий раз, когда емкость на выводе IN становится выше, это соответственно увеличивает время разряда tdch, что вызывает падение напряжения на соответствующем компараторе с соответственно более длительным временем. Когда это происходит, выходной сигнал компаратора имеет тенденцию становиться низким, что, в свою очередь, создает импульс на CDN, заставляя внешний конденсатор CCP разряжаться в несколько меньшей степени.

Это означает, что CUP теперь генерирует большинство импульсов, которые заставляют CCP заряжаться еще больше, не выполняя никаких дальнейших шагов.

Несмотря на это, функция автоматической калибровки ИС, управляемая напряжением, которая основана на регулировании тока стока, связанном с выводом IN, пытается сбалансировать время разряда tdch, соотнося его с внутренне установленным временем разряда tdcmef.

Напряжение на Ccpg регулируется по току и становится ответственным за разряд емкости на IN довольно быстро, когда обнаруживается, что потенциал на CCP возрастает. Это идеально уравновешивает увеличивающуюся емкость на входном контакте IN.

Этот эффект приводит к возникновению замкнутой системы слежения, которая непрерывно контролирует и задействует автоматическое выравнивание времени разряда tdch со ссылкой на tdchlmf.

Это помогает исправить медленные колебания емкости на выводе IN микросхемы. В режимах быстрой зарядки, например, когда человеческий палец быстро приближается к чувствительной фольге, обсуждаемая компенсация может не произойти, в условиях равновесия продолжительность периода разряда не отличается, вызывая попеременные колебания импульса между CUP и CDN.

Это дополнительно означает, что при более высоких значениях Ccpg можно ожидать относительно ограниченного изменения напряжения для каждого импульса для CUP или CDN.

Следовательно, внутренний сток тока вызывает более медленную компенсацию, тем самым увеличивая чувствительность датчика. Напротив, когда CCP падает, чувствительность сенсора падает.

Встроенный сенсорный монитор

Встроенный каскад счетчика контролирует триггеры датчика и, соответственно, подсчитывает импульсы через CUP или CDN, счетчик сбрасывается каждый раз, когда направление импульса через CUP к CDN чередуется или изменяется.

Выходной вывод, обозначенный как OUT, активируется только при обнаружении достаточного количества импульсов через CUP или CDN. Умеренные уровни помех или медленные взаимодействия через датчик или входную емкость не оказывают никакого влияния на запуск выхода.

Микросхема учитывает несколько условий, таких как неравные схемы заряда / разряда, так что выполняется подтвержденное переключение выхода и устраняется ложное обнаружение.

Расширенный запуск

Микросхема включает усовершенствованную схему запуска, которая позволяет микросхеме довольно быстро достигать равновесия, как только на нее включается питание.

Внутренне вывод OUT сконфигурирован как открытый сток, который инициирует вывод выводов с высокой логикой (Vdd) с максимальным током 20 мА для подключенной нагрузки. В случае, если выход подвергается нагрузке более 30 мА, питание мгновенно отключается из-за функции защиты от короткого замыкания, которая мгновенно срабатывает.
Эта распиновка также совместима с CMOS и поэтому подходит для всех нагрузок или каскадов на основе CMOS.

Как упоминалось ранее, параметр частоты дискретизации fs относится к 50% частоты, используемой в сети синхронизации RC. Частоту дискретизации можно установить в заранее определенном диапазоне, соответствующим образом зафиксировав значение CCLIN.

“введение в программируемые логические контроллеры ”

Частота генератора с внутренней модуляцией на уровне 4% посредством псевдослучайного сигнала подавляет любую возможность помех от окружающих частот переменного тока.

Режим выбора состояния выхода

Микросхема также имеет полезный «режим выбора состояния выхода», который можно использовать для включения выходного вывода в моностабильное или бистабильное состояние в ответ на емкостное определение входного вывода. Он отображается следующим образом:

Режим # 1 (TYPE включен при Vss): выход становится активным на время sp, пока вход находится под внешним емкостным влиянием.

Режим # 2 (TYPE включен в VDD / NTRESD): в этом режиме выход попеременно включается и выключается (высокий и низкий) в ответ на последующее емкостное взаимодействие через фольгу сенсора.

Режим # 3 (CTYPE включен между TYPE и VSS): при этом условии выходной контакт срабатывает (низкий) в течение некоторого заранее определенного периода времени в ответ на каждый вход емкостного считывания, продолжительность которого пропорциональна значению CTYPE и может варьироваться со скоростью 2,5 мс на емкость нФ.

Стандартное значение CTYPE для обхода задержки 10 мс в режиме № 3 может составлять 4,7 нФ, а максимально допустимое значение для CTYPE - 470 нФ, что может привести к задержке примерно в секунду. Любые резкие емкостные вмешательства или воздействия в этот период просто игнорируются.

Как использовать схему

В следующих разделах мы изучаем типичную конфигурацию схемы с использованием той же ИС, которая может применяться во всех продуктах, требующих точного дистанционного управления. операции, стимулированные близостью .

Предлагаемый емкостной датчик приближения может быть использован во многих различных приложениях, как указано в следующих данных:

Типичная конфигурация приложения с использованием IC можно увидеть ниже:

Конфигурация схемы приложения

Вход + питание подключается к VDD. Сглаживающий конденсатор может быть предпочтительно подключен через VDD и землю, а также через VDDUNTREGD и землю для более надежной работы микросхемы.

Значение емкости COLIN, полученное на выводе CLIN, эффективно фиксирует частоту дискретизации. Увеличение частоты дискретизации может позволить увеличить время реакции на вход датчика с пропорциональным увеличением потребления тока.

Пластина датчика приближения

Чувствительная емкостная чувствительная пластина может быть в виде миниатюрной металлической фольги или пластины, экранированной и изолированной непроводящим слоем.

Эта чувствительная область может быть либо завершена на более длинных расстояниях через коаксиальный кабель CCABLE, другие концы которого могут быть связаны с IN IC, либо пластина может быть просто напрямую связана с INpinout IC, в зависимости от потребностей приложения.

ИС оснащена внутренней схемой фильтра нижних частот, которая помогает подавить все формы радиочастотных помех, которые могут попытаться проникнуть в ИС через вывод IN.

Кроме того, как показано на схеме, можно также добавить внешнюю конфигурацию с использованием RF и CF для дальнейшего усиления подавления RF и усиления защиты от RF для схемы.

Для достижения оптимальной производительности схемы рекомендуется, чтобы сумма значений емкости CSENSE + CCABLE + Cp находилась в заданном соответствующем диапазоне, хороший уровень может составлять около 30 пФ.

Это помогает контуру управления работать лучше со статической емкостью по сравнению с CSENSE для выравнивания довольно медленных взаимодействий на чувствительной емкостной пластине.

Достигните увеличенных емкостных входов

Для достижения повышенных уровней емкостных входов может быть рекомендовано включение дополнительного резистора Rc, как показано на схеме, который помогает контролировать время разряда в соответствии со спецификациями требований внутренней синхронизации.

Площадь поперечного сечения прикрепленной чувствительной пластины или чувствительной фольги становится прямо пропорциональной чувствительности цепи, в сочетании со значением конденсатора Ccpc, уменьшение значения Ccpc может сильно повлиять на чувствительность чувствительной пластины. Следовательно, для достижения эффективного количества чувствительности Ccpc может быть увеличено оптимально и соответственно.

Распиновка, помеченная как CPC, имеет высокий импеданс и поэтому может быть восприимчива к токам утечки.

Убедитесь, что Ccpc выбран с высококачественной PPC конденсатора типа MKT или типа X7R для получения оптимальных характеристик конструкции.

Работа при низких температурах

В случае, если система предназначена для работы с ограниченной входной емкостью до 35 пФ и при отрицательных температурах -20 градусов C, тогда может быть целесообразно снизить напряжение питания на ИС примерно до 2,8 В. Это, в свою очередь, снижает рабочий диапазон напряжения Vlicpc, спецификация которого составляет от 0,6 В до VDD - 0,3 В.

Более того, уменьшение рабочего диапазона Vucpc может привести к пропорциональному уменьшению диапазона входной емкости схемы.

Кроме того, можно заметить, что значение Vucpc увеличивается с понижением температуры, как показано на диаграммах, что говорит нам, почему надлежащее снижение напряжения питания помогает в понижении температуры.