Boli preskúmané 3 obvody ľahkého kapacitného senzora priblíženia

V tomto príspevku sa komplexne zaoberáme 3 základnými obvodmi snímača priblíženia s mnohými aplikačnými obvodmi a podrobnými vlastnosťami obvodu. Prvé dva kapacitné obvody snímača priblíženia využívajú jednoduché koncepty založené na IC 741 a IC 555, zatiaľ čo ten posledný je o niečo presnejší a obsahuje presný dizajn založený na IC PCF8883.

1) Použitie IC 741

Obvod vysvetlený nižšie by mohol byť nakonfigurovaný na aktiváciu relé alebo akejkoľvek vhodnej záťaže, ako je a vodovodný kohútik , akonáhle sa ľudské telo alebo ruka priblíži k kapacitnej doske snímača. Za špecifických podmienok je blízkosť ruky dostatočná iba na spustenie výstupu obvodu.

Vstup vysokej impedancie je daný Q1, čo je tranzistor s efektom pravidelného poľa, ako napríklad 2N3819. Je použitý štandardný operačný zosilňovač 741 vo forme citlivého prepínača úrovne napätia, ktorý následne napája prúdovú vyrovnávaciu pamäť Q2, bipolárny tranzistor stredného prúdu pnp, čím aktivuje relé, ktoré môže byť zvyknuté na prepínanie zariadení, ako sú alarmy, faucet atď. .

Pokiaľ je obvod v pohotovostnom stave nečinnosti, je napätie na kolíku 3 operačného zosilňovača stanovené na vyššej ako napäťovej úrovni kolíka 2 príslušným nastavením predvoľby VR1.

To zaisťuje, že napätie na výstupnom kolíku 6 bude vysoké, čo spôsobí, že tranzistor Q2 a relé zostanú vypnuté.

Keď je prst uvedený v tesnej blízkosti dosky snímača alebo sa ho ľahko dotýka, zníženie opačného predpätia VGS zvýši odtokový prúd FET Q1 a výsledný pokles napätia R1 zníži napätie kolíka operačného zosilňovača 3 pod napätie existujúce pri kolík 2.

To bude mať za následok pokles napätia na pin 6 a následne zapnutie relé pomocou Q2. Rezistor R4 je možné určiť tak, aby bolo relé za normálnych podmienok vypnuté. Ak vezmeme do úvahy, že na výstupe kolíka 6 operačného zosilňovača sa môže vyvinúť malé pozitívne nastavené napätie, aj keď je napätie kolíka 3 nižšie ako napätie kolíka 2 v pokojový (nečinný) stav. Tento problém by sa dal vyriešiť jednoduchým pridaním LED do série so základňou Q2.

2) Pomocou IC 555

Tento príspevok vysvetľuje efektívny obvod kapacitného senzora priblíženia založený na IC 555, ktorý sa môže použiť na detekciu votrelcov v blízkosti cenovo dostupných predmetov, ako je napríklad vaše vozidlo. Túto myšlienku požadoval pán Max Payne.

Žiadosť o okruh

Ahoj Swagatam,

Prosím pošlite Kapacitný / Telo / Citlivý obvod možno použiť na bicykli. Takéto zariadenie viditeľné na bezpečnostnom systéme vozidla. Keď sa niekto priblíži k automobilu alebo obyčajná 1 v blízkosti ch, spustí alarm na 5 sekúnd.

Ako funguje tento typ alarmu, alarm sa spustí, až keď sa niekto priblíži (napríklad 30 cm), aký typ senzora použije?

Schéma zapojenia

Obrázok obvodu s láskavým dovolením: Elektor Electronics

Dizajn

Obvod kapacitného snímača možno pochopiť pomocou nasledujúceho popisu:

IC1 je v zásade zapojený ako nestabilný, ale bez zabudovania skutočného kondenzátora. Tu je zavedená kapacitná doska, ktorá zaujíma polohu kondenzátora potrebnú pre astabilnú prevádzku.

Je potrebné poznamenať, že väčšia kapacitná doska bude produkovať lepšiu a spoľahlivejšiu odozvu z obvodu.

Pretože obvod má fungovať ako výstražný bezpečnostný systém upozornenia na blízkosť karosérie vozidla, mohlo by sa samotné telo použiť ako kapacitná platňa a jeho objem by bol vzhľadom na jeho veľkosť celkom vhodný.

Len čo je doštička kapacitného senzora priblíženia integrovaná, IC555 sa prepne do pohotovostnej polohy pre astabilné akcie.

Pri detekcii „uzemňovacieho“ prvku v tesnej blízkosti, ktorou by mohla byť ruka človeka, sa vyvinie požadovaná kapacita cez pin2 / 6 a zem IC.

Vyššie uvedené vedie k okamžitému vývoju frekvencie, keď IC začne kmitať vo svojom astabilnom režime.

Astabilný signál sa získava na pin3 IC, ktorý je vhodne „integrovaný“ pomocou R3, R4, R5 spolu s C3 ----C5.

„Integrovaný“ výsledok sa privádza do stupňa zosilňovača zosilneného ako komparátor.

Komparátor vytvorený okolo IC2 reaguje na túto zmenu z IC1 a prevádza ju na spúšťacie napätie, prevádzkuje T1 a príslušné relé.

Relé môže byť pre požadovanú výstrahu zapojené sirénou alebo klaksónom.

Je však prakticky vidieť, že IC1 produkuje špičkový pozitívny až negatívny napäťový impulz v okamihu, keď je v blízkosti platne detekovaná katapitívna zem.

IC2 reaguje výlučne na tento náhly nárast špičkového napätia pre požadované spustenie.

Ak je kapacitné teleso naďalej v tesnej blízkosti dosky, špičkové frekvenčné napätie na kolíku 3 zmizne na úroveň aa, ktorú môže IC2 nezistiť, čím sa stane neaktívnym, čo znamená, že relé zostane aktívne iba v okamihu, keď je kapacitný prvok privedený alebo odstránené v blízkosti povrchu dosky.

P1, P2 môžu byť upravené na získanie maximálnej citlivosti z kapacitnej platne
Na získanie aretácie môže byť výstup IC2 ďalej integrovaný do klopného obvodu, čo robí obvod kapacitného snímača blízkosti extrémne presným a pohotovým

3) Pomocou IC PCF8883

IC PCF8883 je navrhnutý tak, aby fungoval ako presný kapacitný snímač priblíženia pomocou jedinečnej (patentovanej spoločnosťou EDISEN) digitálnej technológie na snímanie najmenších rozdielov v kapacite okolo určenej snímacej dosky.

Hlavné rysy

Hlavnými vlastnosťami tohto špecializovaného kapacitného senzora priblíženia môžu byť štúdie uvedené nižšie:

Nasledujúci obrázok zobrazuje internú konfiguráciu IC PCF8883

IC sa nespolieha na tradičné dynamický kapacitný režim snímania skôr detekuje zmeny v statickej kapacite pomocou automatickej korekcie prostredníctvom nepretržitej automatickej kalibrácie.

Snímač je v zásade vo forme malej vodivej fólie, ktorá môže byť priamo integrovaná do príslušných vývodov integrovaného obvodu pre zamýšľané kapacitné snímanie alebo môže byť ukončená na dlhšie vzdialenosti pomocou koaxiálnych káblov, čo umožňuje presné a efektívne operácie snímania blízkej kapacity na blízku vzdialenosť

Nasledujúce obrázky znázorňujú podrobnosti o zapojení IC PCF8883. Podrobné fungovanie rôznych vývodov a zabudovaných obvodov je možné pochopiť v nasledujúcich bodoch:

Podrobnosti o zapojení IC PCF8883

Pinout IN, ktorý má byť spojený s externou kapacitnou snímacou fóliou, je prepojený s internou RC sieťou integrovaných obvodov.

Čas vybíjania daný „tdch“ siete RC sa porovnáva s časom vybíjania druhej in -ult RC siete označenej ako „tdchimo“.

Dve RC siete prechádzajú periodickým nabíjaním pomocou VDD (INTREGD) cez niekoľko rovnakých a synchronizovaných prepínacích sietí a následne sa vybijú pomocou odporu voči Vss alebo zemi

Rýchlosť, ktorou sa toto vybíjanie vykonáva, je regulovaná vzorkovacou rýchlosťou označenou ako „fs“.

V prípade, že je možné pozorovať pokles potenciálneho rozdielu pod interne nastaveným referenčným napätím VM, má príslušný výstup komparátora tendenciu byť nízky. Logická úroveň, ktorá nasleduje po komparátoroch, identifikuje presný komparátor, ktorý by sa skutočne mohol prepnúť pred druhým.

A ak sa zistí, že horný komparátor vystrelil ako prvý, dôjde k vykresleniu impulzu na CUP, zatiaľ čo ak sa zistí, že sa spodný komparátor prepol pred horným, potom je impulz povolený na CDN.

Vyššie uvedené impulzy sa zúčastňujú riadenia úrovne nabitia cez externý kondenzátor Ccpc spojený s pinom CPC. Keď sa generuje impulz na CUP, Ccpc sa nabíja cez VDDUNTREGD na dané časové obdobie, čo vyvoláva stúpajúci potenciál na Ccpc.

Celkom na tých istých linkách, keď sa impulz vykreslí na CDN, Ccpc sa spojí s prúdovým klesajúcim zariadením na zem, ktorá vybije kondenzátor a spôsobí jeho zrútenie.

Kedykoľvek sa kapacita na kolíku IN zvýši, príslušne sa zvýši doba vybíjania tdch, čo spôsobí, že napätie v príslušnom komparátore poklesne o zodpovedajúco dlhšiu dobu. Keď k tomu dôjde, výstup komparátora má tendenciu klesať, čo zase spôsobí impulz pri CDN, ktorý núti externý kondenzátor CCP vybiť sa v menšej miere.

To znamená, že CUP teraz generuje väčšinu impulzov, čo spôsobí, že sa CCP nabije ešte viac bez ďalších krokov.

Napriek tomu sa funkcia kalibrácie integrovaného obvodu riadená automatickým napätím, ktorá sa spolieha na reguláciu prúdového prúdu „ism“ spojenú s kolíkom IN, snaží vyvažovať čas vybíjania tdch odkazom na interne nastavený čas vybíjania tdcmef.

Napätie na Ccpg je riadené prúdom a stáva sa zodpovedným za vybíjanie kapacity na IN pomerne rýchlo, kedykoľvek je detekované zvyšovanie potenciálu cez CCP. To dokonale vyrovnáva zvyšujúcu sa kapacitu na vstupnom kolíku IN.

Tento efekt vedie k systému sledovania uzavretej slučky, ktorý nepretržite monitoruje a aktivuje automatické vyrovnávanie času vybíjania tdch s odkazom na tdchlmf.

To pomáha korigovať pomalé variácie kapacity naprieč IN vývodom IC. Počas rýchleho nabíjania, napríklad keď sa ľudský prst rýchlo priblíži k snímacej fólii, sa nemusí diskutovaná kompenzácia prejaviť, za rovnovážnych podmienok sa dĺžka doby vybíjania nelíši, čo spôsobí, že pulz bude striedavo kolísať cez CUP a CDN.

To ďalej znamená, že s väčšími hodnotami Ccpg možno očakávať relatívne obmedzené variácie napätia pre každý impulz pre CUP alebo CDN.

Preto vnútorný pokles prúdu vedie k pomalšej kompenzácii, čím sa zvyšuje citlivosť snímača. Naopak, keď dôjde k poklesu CCP, spôsobí to zníženie citlivosti snímača.

Zabudovaný senzorový monitor

Zabudovaný stupeň počítadla monitoruje spúšťanie snímača a zodpovedajúcim spôsobom počíta impulzy cez CUP alebo CDN. Počítadlo sa resetuje zakaždým, keď sa smer impulzu cez CUP zmení na CDN alebo sa zmení.

Výstupný pin reprezentovaný ako OUT prechádza aktiváciou, iba ak je detekovaný adekvátny počet impulzov cez CUP alebo CDN. Mierna úroveň rušenia alebo pomalé interakcie cez snímač alebo vstupnú kapacitu nemá žiadny vplyv na spustenie výstupu.

Čip si všimne niekoľko podmienok, ako sú nerovnaké vzorce nabíjania a vybíjania, takže sa vykreslí potvrdené prepínanie výstupu a eliminuje sa rušivá detekcia.

Pokročilé spustenie

Integrovaný obvod obsahuje pokročilé štartovacie obvody, ktoré umožňujú čipu dosiahnuť rovnováhu pomerne rýchlo po zapnutí napájania.

Pin OUT je interne nakonfigurovaný ako otvorený odtok, ktorý inicializuje pinout s vysokou logikou (Vdd) s maximálnym prúdom 20 mA pre pripojenú záťaž. V prípade, že je výstup vystavený zaťaženiu nad 30 mA, napájanie sa okamžite odpojí z dôvodu ochrany proti skratu, ktorá sa okamžite spustí.
Tento vývod je tiež kompatibilný s CMOS, a preto sa stáva vhodným pre všetky záťaže alebo stupne obvodov založené na CMOS.

Ako už bolo spomenuté, parameter vzorkovacej frekvencie „fs“ predstavuje 50% frekvencie použitej v časovacej sieti RC. Vzorkovacia frekvencia sa dá nastaviť v rámci vopred stanoveného rozsahu vhodným stanovením hodnoty CCLIN.

Interne modulovaná frekvencia oscilátora pri 4% prostredníctvom pseudonáhodného signálu inhibuje akúkoľvek šancu na interferencie z okolitých striedavých frekvencií.

Režim výberu stavu výstupu

IC obsahuje aj užitočný „režim výberu výstupného stavu“, ktorý je možné použiť na povolenie výstupného kolíka buď v monostabilnom alebo bistabilnom stave v reakcii na kapacitné snímanie vstupného pinoutu. Je vykreslený nasledujúcim spôsobom:

Režim č. 1 (TYP povolený pri Vss): Výstup je vykreslený ako aktívny po celú dobu, kým je vstup udržiavaný pod externým kapacitným vplyvom.

Režim č. 2 (TYP povolený pri VDD / NTRESD): V tomto režime je výstup striedavo zapnutý a vypnutý (vysoký a nízky) v reakcii na následnú kapacitnú interakciu cez fóliu snímača.

Režim # 3 (CTYPE povolený medzi TYPE a VSS): Za tejto podmienky sa výstupný pin aktivuje (nízky) na určitú vopred stanovenú dobu v reakcii na každý kapacitný snímací vstup, ktorého trvanie je úmerné hodnote CTYPE a je možné ho meniť s rýchlosťou 2,5 ms na kapacitu nF.

Štandardná hodnota pre CTYPE na získanie oneskorenia 10 ms v režime # 3 môže byť 4,7 nF a maximálna prípustná hodnota pre CTYPE je 470 nF, čo môže mať za následok oneskorenie asi sekundu. Akékoľvek náhle kapacitné zásahy alebo vplyvy počas tohto obdobia sa jednoducho ignorujú.

Ako používať obvod

V nasledujúcich častiach sa dozvieme typickú konfiguráciu obvodu pomocou rovnakého integrovaného obvodu, ktorú je možné použiť vo všetkých produktoch vyžadujúcich presné diaľkové ovládanie operácie stimulované blízkosťou .

Navrhovaný kapacitný snímač priblíženia sa môže rôzne použiť v mnohých rôznych aplikáciách, ako je uvedené v nasledujúcich údajoch:

Typickú konfiguráciu aplikácie pomocou integrovaného obvodu môžete vidieť nižšie:

Konfigurácia aplikačného obvodu

Napájací zdroj + je pripojený k VDD. Vyrovnávací kondenzátor môže byť výhodne pripojený naprieč a VDD a zemou a tiež cez VDDUNTREGD a zem pre spoľahlivejšiu prácu s čipom.

Kapacitná hodnota COLINu produkovaného na pin CLIN účinne fixuje vzorkovaciu frekvenciu. Zvyšujúca sa vzorkovacia rýchlosť môže umožniť predĺženie reakčného času na vstupe snímania s proporcionálnym zvýšením spotreby prúdu

Doska senzora priblíženia

Kapacitná snímacia doska snímania môže byť vo forme miniatúrnej kovovej fólie alebo dosky tienenej a izolovanej nevodivou vrstvou.

Táto snímacia oblasť by mohla byť ukončená na väčšie vzdialenosti koaxiálnym káblom CCABLE, ktorého druhé konce môžu byť spojené s konektorom IC, alebo doskou možno jednoducho priamo spojiť s konektorom IC, podľa potreby aplikácie.

IC je vybavený vnútornými obvodmi nízkopriepustného filtra, ktoré pomáhajú potlačiť všetky formy vysokofrekvenčného rušenia, ktoré sa môže pokúsiť preniknúť do IC cez pin IN.

Ďalej, ako je to znázornené na diagrame, je možné pridať aj externú konfiguráciu pomocou RF a CF, aby sa ďalej zvýšilo potlačenie RF a posilnila RF imunita pre obvod.

Na dosiahnutie optimálneho výkonu obvodu sa odporúča, aby súčet hodnôt kapacity CSENSE + CCABLE + Cp bol v danom vhodnom rozmedzí, dobrá úroveň mohla byť okolo 30pF.

To pomáha riadiacej slučke lepšie pracovať so statickou kapacitou nad CSENSE na vyrovnanie pomerne pomalších interakcií na snímacej kapacitnej doske.

Dosiahnite zvýšené kapacitné vstupy

Na dosiahnutie zvýšenej úrovne kapacitných vstupov sa môže odporučiť zahrnúť doplnkový odpor Rc, ako je uvedené v diagrame, ktorý pomáha riadiť čas vybíjania podľa špecifikácií požiadaviek na vnútorné časovanie.

Prierez pripojenej snímacej dosky alebo snímacej fólie sa stáva priamo úmerným citlivosti obvodu, v spojení s hodnotou kondenzátora Ccpc môže zníženie hodnoty Ccpc výrazne ovplyvniť citlivosť snímacej dosky. Preto na dosiahnutie efektívneho množstva citlivosti je možné optimálne a zodpovedajúcim spôsobom zvýšiť Ccpc.

Zapojenie označené CPC je vnútorne spojené s vysokou impedanciou, a preto by mohlo byť náchylné na únikové prúdy.

Uistite sa, že je Ccpc vybraný s vysoko kvalitným PPC kondenzátora typu MKT alebo typu X7R pre získanie optimálneho výkonu z návrhu.

Pracuje pri nízkych teplotách

V prípade, že je systém určený na prevádzku s obmedzenou vstupnou kapacitou až 35 pF a pri teplotách pod bodom mrazu -20 ° C, môže byť vhodné znížiť napájacie napätie IC na približne 2,8 V. To zase znižuje prevádzkový rozsah napätia Vlicpc, ktorého špecifikácia leží medzi 0,6 V až VDD - 0,3 V.

Navyše, zníženie prevádzkového rozsahu Vucpc by mohlo mať za následok úmerné zníženie rozsahu vstupnej kapacity obvodu.

Tiež si možno všimnúť, že keď hodnota Vucpc rastie s klesajúcimi teplotami, ako to ukazujú diagramy, čo nám hovorí, prečo vhodné zníženie napájacieho napätia pomáha pri znižovaní teplôt.

Odporúčané špecifikácie komponentov

Tabuľky 6 a 7 označujú odporúčaný rozsah hodnôt zložiek, ktoré je možné vhodne zvoliť podľa požadovaných aplikačných špecifikácií s odkazom na vyššie uvedené pokyny.

Referencia: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8883.pdf