Изследвани са 3 лесни капацитивни вериги на сензора за близост

В този пост ние обсъждаме изчерпателно 3 основни схеми на сензора за близост с много схеми за приложение и подробни характеристики на веригата. Първите две капацитивни вериги на сензора за близост използват прости концепции, базирани на IC 741 и IC 555, докато последната е малко по-точна и включва прецизен дизайн, базиран на IC PCF8883

1) Използване на IC 741

Обяснената по-долу схема може да бъде конфигурирана да активира реле или някакъв подходящ товар, като например кран за вода , веднага щом човешкото тяло или ръка се доближат до капацитивната сензорна плоча. При специфични условия близостта на ръката е достатъчна само за задействане на изхода на веригата.

Вход с висок импеданс се дава от Q1, който е редовен полеви транзистор като 2N3819. Използва се стандартен 741 операционен усилвател под формата на чувствителен превключвател за ниво на напрежение, който впоследствие задвижва текущия буфер Q2, биполярен транзистор със среден ток pnp, като по този начин активира релето, което може да е свикнало да превключва устройство, като аларми, кран и др. .

Докато веригата е в режим на готовност на празен ход, напрежението на щифт 3 на операционния усилвател е фиксирано на по-голямо от нивото на напрежение на щифт 2 чрез подходящо регулиране на предварително зададената VR1.

Това гарантира, че напрежението на изходния щифт 6 ще бъде високо, причинявайки транзистор Q2 и релето да останат изключени.

Когато пръстът е в непосредствена близост до сензорната плоча или леко докосване, понижаващото противоположно отклонение VGS ще увеличи изтичащия ток на FET Q1 и произтичащото спадане на напрежението R1 ще намали напрежението на операционния усилвател 3 под напрежението, съществуващо при щифт 2.

Това ще доведе до падане на напрежението на щифт 6 и съответно включване на релето посредством Q2. Резисторът R4 може да бъде определен, за да може релето да бъде изключено при нормални условия, като се има предвид, че на изхода на операционния усилвател 6 може да се развие малко положително изключено напрежение, дори ако напрежението на щифта 3 е по-ниско от напрежението на щифт 2 в състояние на покой (празен ход). Този проблем може да бъде отстранен чрез просто добавяне на светодиод последователно с Q2 основата.

2) Използване на IC 555

Постът обяснява ефективна схема с капацитивен сензор за близост, базирана на IC 555, която може да се използва за откриване на нарушители в близост до обект с цена, като вашето превозно средство. Идеята е поискана от г-н Макс Пейн.

Заявката за веригата

Здравейте Суагатам,

Моля, публикувайте капацитивна / тяло / чувствителна верига, която може да се приложи на велосипед. Такова устройство, което се вижда в системата за сигурност на автомобила, Когато някой се приближи до колата или обикновена близост 1 х ch ще задейства алармата за 5 секунди.

Как работи този тип аларма, алармата се задейства само когато някой се приближи (да речем 30 см) какъв тип сензор използва?

Електрическа схема

Снимка на любезното съдействие: Elektor Electronics

Дизайнът

Капацитивната схема на сензора може да бъде разбрана с помощта на следното описание:

IC1 е основно свързан като нестабилен, но без вграден реален кондензатор. Тук се въвежда капацитивна плоча и заема позицията на кондензатора, необходима за нестабилната работа.

Трябва да се отбележи, че по-голямата капацитивна плоча ще доведе до по-добра и много надеждна реакция от веригата.

Тъй като схемата е предназначена да работи като система за безопасност за предупреждение за близост на каросерията на автомобила, самата каросерия може да се използва като капацитивна плоча, а тя като огромна по обем би подхождала доста добре на приложението.

След като капакът на капацитивния сензор за близост е интегриран, IC555 влиза в режим на готовност за нестабилните действия.

При откриване на „заземен“ елемент в непосредствена близост, който може да бъде ръката на човек, необходимият капацитет се развива през pin2 / 6 и земята на IC.

Горното води до мигновено развитие на честотата, тъй като интегралната схема започва да трепти в своя нестабилен режим.

Нестабилният сигнал се получава в pin3 на IC, който е подходящо 'интегриран' с помощта на R3, R4, R5 заедно с C3 ---- C5.

'Интегрираният' резултат се подава към етап на операционна система, монтиран като компаратор.

Сравнителят, образуван около IC2, реагира на тази промяна от IC1 и го преобразува в задействащо напрежение, работещо T1 и съответното реле.

Релето може да бъде свързано със сирена или клаксон за необходимата аларма.

Обаче на практика се вижда, че IC1 произвежда пиков импулс от положително към отрицателно напрежение в момента, когато се открие капацитивна земя близо до плочата.

IC2 реагира единствено на това внезапно покачване на пиковото напрежение за необходимото задействане.

Ако капацитивното тяло продължава да бъде в непосредствена близост до плочата, пиковото честотно напрежение на pin3 изчезва до ниво, което може да бъде неоткриваемо от IC2, което го прави неактивно, което означава, че релето остава активно само в момента, в който капацитивният елемент е доведен или отстранени близо до повърхността на плочата.

P1, P2 могат да бъдат регулирани за придобиване на максимална чувствителност от капацитивната плоча
За да се получи заключващо действие, изходът на IC2 може да бъде допълнително интегриран към верига на тригер, което прави схемата на капацитивния сензор за близост изключително точна и отзивчива

3) Използване на IC PCF8883

IC PCF8883 е проектиран да работи като прецизен превключвател на капацитивен сензор за близост чрез уникална (патентована от EDISEN) цифрова технология за отчитане на най-малката разлика в капацитета около определената му сензорна плоча.

Основните функции

Основните характеристики на този специализиран капацитивен сензор за близост могат да бъдат проучени, както е дадено по-долу:

Следващото изображение показва вътрешната конфигурация на IC PCF8883

IC не разчита на традиционното режим на динамичен капацитет на засичане по-скоро открива вариацията в статичния капацитет, като използва автоматична корекция чрез непрекъснато автоматично калибриране.

Сензорът е основно под формата на малко проводимо фолио, което може да бъде директно интегрирано със съответните изводи на интегралната схема за предвиденото капацитивно засичане или може да бъде прекратено на по-големи разстояния чрез коаксиални кабели за осигуряване на точни и ефективни операции за дистанционно капацитивно засичане на близост

Следващите фигури представляват подробности за пиновете на IC PCF8883. Подробното функциониране на различните щифтове и вградената схема може да се разбере със следните точки:

Подробности за разпитване на IC PCF8883

Изводът IN, който трябва да бъде свързан с външното капацитивно сензорно фолио, е свързан с вътрешната RC мрежа на интегралните схеми.

Времето за разреждане, дадено от „tdch“ на RC мрежата, се сравнява с времето за разреждане на втората вградена RC мрежа, обозначено като „tdchimo“.

Двете RC мрежи преминават през периодично зареждане от VDD (INTREGD) чрез няколко идентични и синхронизирани комутационни мрежи и впоследствие се разреждат с помощта на резистор към Vss или земята

Скоростта, с която се изпълнява това разреждане на заряда, се регулира от честотата на вземане на проби, обозначена с „fs“.

В случай, че ако се види, че потенциалната разлика спада под вътрешно зададеното референтно напрежение VM, съответният изход на компаратора има тенденция да стане нисък. Логическото ниво, което следва компараторите, идентифицира точния компаратор, който всъщност би могъл да превключи преди другия.

И ако горният компаратор е идентифициран, че е изстрелял първи, това води до импулс, който се изобразява на CUP, докато ако долният компаратор е открит, че е превключил преди горния, тогава импулсът е активиран при CDN.

Горните импулси участват в управлението на нивото на заряда върху външния кондензатор Ccpc, свързан с pin CPC. Когато се генерира импулс на CUP, Ccpc се зарежда чрез VDDUNTREGD за даден период от време, което предизвиква нарастващ потенциал на Ccpc.

Съвсем по същите линии, когато импулсът се изобразява в CDN, Ccpc се свързва с текущото поглъщащо устройство към земята, което разрежда кондензатора, причинявайки потенциала му да се срути.

Всеки път, когато капацитетът на пина IN се повиши, той съответно увеличава времето за разреждане tdch, което води до спадане на напрежението на съответния компаратор за съответно по-дълго време. Когато това се случи, изходът на компаратора има тенденция да намалява, което от своя страна прави импулс при CDN, принуждавайки външния кондензатор CCP да се разреди в някаква по-малка степен.

Това означава, че CUP сега генерира по-голямата част от импулсите, което кара CCP да се зарежда още повече, без да преминава през допълнителни стъпки.

Въпреки това, функцията за автоматично калибриране на управляваното напрежение на интегралната схема, която разчита на регулиране на тока на мивката „ism“, свързана с пин IN, прави усилия да балансира времето за разреждане tdch, като го отнесе с вътрешно зададено време за разреждане tdcmef.

Напрежението в Ccpg се контролира по ток и става отговорно за разреждането на капацитета на IN доста бързо, когато се открие, че потенциалът през CCP се увеличава. Това перфектно балансира нарастващия капацитет на входния пин IN.

Този ефект поражда система за проследяване със затворен цикъл, която непрекъснато следи и се включва в автоматично изравняване на времето за разреждане tdch по отношение на tdchlmf.

Това помага да се коригират мудните вариации в капацитета в IN пиноут на IC. По време на бързо зареждане, например когато човешки пръст се доближи бързо до сензорното фолио, обсъжданата компенсация може да не се получи, в условия на равновесие продължителността на периода на разреждане не се различава, което кара пулса да варира последователно в CUP и CDN.

Това допълнително предполага, че при по-големи стойности на Ccpg може да се очаква относително ограничена промяна на напрежението за всеки импулс за CUP или CDN.

Следователно вътрешният токов поток води до по-бавна компенсация, като по този начин повишава чувствителността на сензора. Напротив, когато CCP изпитва понижение, чувствителността на сензора намалява.

Вграден сензорен монитор

Вграден етап на брояча следи задействанията на сензора и съответно отчита импулсите през CUP или CDN, броячът се нулира всеки път, когато посоката на импулса през CUP към CDN се редува или променя.

Изходният щифт, представен като OUT, се подлага на активиране само когато се открият достатъчен брой импулси през CUP или CDN. Скромните нива на смущения или бавни взаимодействия през сензора или входния капацитет не оказват ефект върху задействането на изхода.

Чипът отбелязва няколко условия, като неравномерни схеми на зареждане / разреждане, така че се прави потвърдено превключване на изхода и елиминира фалшивото откриване.

Разширено стартиране

IC включва усъвършенствана стартова схема, която позволява на чипа да достигне равновесие доста бързо, веднага щом захранването към него бъде включено.

Вътре pin OUT е конфигуриран като отворен дренаж, който инициира pinout с висока логика (Vdd) с максимум 20 mA ток за прикачен товар. В случай, че изходът е подложен на натоварване над 30 mA, захранването незабавно се изключва поради функцията за защита от късо съединение, която се задейства незабавно.
Този щифт също е съвместим с CMOS и следователно става подходящ за всички CMOS базирани натоварвания или етапи на веригата.

Както бе споменато по-рано, параметърът на честотата на дискретизация 'fs' се отнася като 50% от честотата, използвана с RC синхронизиращата мрежа. Честотата на вземане на проби може да бъде зададена в предварително определен диапазон чрез подходящо фиксиране на стойността на CCLIN.

Вътрешно модулирана честота на осцилатора при 4% чрез псевдослучаен сигнал инхибира всяка възможност за смущения от околните честоти на променлив ток.

Режим на избор на състояние на изхода

IC също така разполага с полезен „режим на избор на изходно състояние“, който може да се използва за активиране на изходния щифт в моностабилно или бистабилно състояние в отговор на капацитивното засичане на входния пиноут. Оказва се по следния начин:

Режим # 1 (TYPE активиран при Vss): Изходът става активен за sp, докато входът се държи под външното капацитивно влияние.

Режим # 2 (TYPE активиран при VDD / NTRESD): В този режим изходът се включва последователно ВКЛ и ИЗКЛ (високо и ниско) в отговор на последващо капацитивно взаимодействие през сензорното фолио.

Режим # 3 (активиран CTYPE между TYPE и VSS): При това условие изходният щифт се задейства (нисък) за известно предварително определено време в отговор на всеки капацитивен сензорен вход, чиято продължителност е пропорционална на стойността на CTYPE и може да варира със скорост 2.5ms на nF капацитет.

Стандартна стойност за CTYPE за заобикаляне на 10ms закъснение в режим # 3 може да бъде 4.7nF, а максимално допустимата стойност за CTYPE е 470nF, което може да доведе до закъснение от около секунда. Всички резки капацитивни намеси или влияния през този период просто се игнорират.

Как да използвам веригата

В следващите раздели научаваме типична конфигурация на веригата, използвайки същата интегрална схема, която може да се приложи във всички продукти, изискващи прецизно дистанционно управление операции, стимулирани от близост .

Предложеният капацитивен сензор за близост може да се използва многообразно в много различни приложения, както е посочено в следните данни:

Типична конфигурация на приложението с помощта на IC може да се види по-долу:

Конфигурация на веригата на приложението

Входното захранване + е прикрепено към VDD. Изглаждащият кондензатор може за предпочитане да бъде свързан през и VDD и земята, а също така и през VDDUNTREGD и земята за по-надеждна работа на чипа.

Стойността на капацитета на COLIN, произведена на щифт CLIN, ефективно определя скоростта на вземане на проби. Увеличаването на честотата на вземане на проби може да позволи да се увеличи времето за реакция на сензорния вход с пропорционално увеличение на текущата консумация

Плоча на сензора за близост

Сензорната капацитивна сензорна плоча може да бъде под формата на миниатюрно метално фолио или плоча, екранирана и изолирана с непроводим слой.

Тази зона на чувствителност може да бъде прекратена на по-големи разстояния чрез коаксиален кабел CCABLE, чиито други краища могат да бъдат свързани с IN на IC, или плочата може да бъде просто директно свързана с INpinout на IC в зависимост от нуждите на приложението.

IC е снабден с вътрешна нискочестотна филтърна схема, която помага да се потиснат всички форми на RF смущения, които могат да се опитат да влязат в IC чрез IN пина на IC.

В допълнение, както е показано на диаграмата, може да се добави и външна конфигурация, използваща RF и CF, за да се подобри допълнително RF потискането и да се засили RF устойчивостта на веригата.

За да се постигне оптимална производителност от веригата, се препоръчва сумата от стойностите на капацитета на CSENSE + CCABLE + Cp да бъде в рамките на даден подходящ диапазон, добро ниво може да бъде около 30pF.

Това помага на контролния контур да работи по-добре със статичния капацитет над CSENSE за изравняване на доста по-бавните взаимодействия на чувствителната капацитивна плоча.

Постигнете увеличени капацитивни входове

За постигане на увеличени нива на капацитивни входове може да се препоръча включването на допълнителен резистор Rc, както е посочено на диаграмата, който помага да се контролира времето за разреждане според спецификациите на вътрешните изисквания за синхронизация.

Площта на напречното сечение на прикрепената сензорна плоча или сензорно фолио става право пропорционална на чувствителността на веригата, във връзка със стойността на кондензатора Ccpc, намаляването на стойността на Ccpc може значително да повлияе на чувствителността на сензорната плоча. Следователно за постигане на ефективно количество чувствителност, Ccpc може да бъде увеличен оптимално и съответно.

Пиновата маркировка CPC е вътрешно приписана с висок импеданс и следователно може да бъде податлива на течове.

Уверете се, че Ccpc е избран с висококачествен PPC от кондензатор тип MKT или тип X7R за постигане на оптимална производителност от дизайна.

Работещи при ниски температури

В случай че системата е предназначена да работи с ограничен входен капацитет до 35pF и при температури на замръзване -20 градуса C, тогава може да е препоръчително да се намали захранващото напрежение към IC до около 2.8V. Това от своя страна намалява работния диапазон на напрежението на Vlicpc, чиято спецификация е между 0,6 V до VDD - 0,3 V.

Освен това, намаляването на работния обхват на Vucpc може да доведе до пропорционално намаляване на обхвата на входящия капацитет на веригата.

Също така, може да забележите, че тъй като стойността на Vucpc се увеличава с намаляването на температурите, както е показано на диаграмите, което ни казва защо подходящото намаляване на захранващото напрежение помага при намаляване на температурите.

Препоръчани спецификации на компонентите

Таблици 6 и Таблица 7 показват препоръчителния диапазон на стойностите на компонентите, които могат да бъдат подходящо избрани според желаните спецификации на приложението с позоваване на горните инструкции.

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