3 könnyen feltárt kapacitív közelség-érzékelő áramkör

Ebben a bejegyzésben átfogóan megvitatunk egy 3 alapvető közelségérzékelő áramkört, sok alkalmazási áramkörrel és az áramkör részletes jellemzőivel. Az első két kapacitív közelségi érzékelő áramkör egyszerű IC 741 és IC 555 alapú koncepciókat használ, míg az utolsó egy kicsit pontosabb és precíziós IC PCF8883 alapú kialakítást tartalmaz

1) Az IC 741 használata

Az alábbiakban ismertetett áramkör konfigurálható egy relé vagy bármilyen megfelelő terhelés aktiválására, például a vízcsap , amint az emberi test vagy kéz a kapacitív érzékelőlemez közelébe kerül. Meghatározott feltételek mellett a kéz közelsége csak az áramkör kimenetének kiváltására elegendő.

Nagy impedanciájú bemenetet ad a Q1, amely egy szabályos terepi tranzisztor, mint a 2N3819. A szabványos 741 op erősítőt egy érzékeny feszültségszint-kapcsoló formájában alkalmazzák, amely ezt követően meghajtja az áram Q2 puffert, egy közepes áramú pnp bipoláris tranzisztort, ezzel aktiválva azt a relét, amely megszokta az eszköz, például riasztók, csaptelep stb. Kapcsolását. .

Amíg az áramkör készenléti készenléti állapotban van, az op erősítő 3. érintkezőjén a feszültséget a 2. érintkező feszültségszintjénél nagyobbra rögzítik az előre beállított VR1 megfelelő beállításával.

Ez biztosítja, hogy a 6-os kimeneti érintkező feszültsége magas legyen, ami a Q2 tranzisztort és a relét kikapcsolva marad.

Amikor az ujjat az érzékelőlemez közelébe helyezik, vagy enyhén megérinti, az ellentétes előfeszítésű VGS csökkentése megnöveli a FET Q1 lefolyóáramát, és az ennek eredményeként az R1 feszültségen eső csökkenés csökkenti az op amp 3 csap feszültségét a 2. tű.

Ennek eredményeként a 6-os érintkező feszültsége leesik, és ennek következtében a Q2 segítségével bekapcsolja a relét. Az R4 ellenállást meg lehet határozni annak érdekében, hogy a relét normál körülmények között kikapcsolt állapotban tartsuk, figyelembe véve, hogy egy apró pozitív kikapcsolt feszültség alakulhat ki az op amp 6-os kimeneten, még akkor is, ha a 3-as tű feszültsége alacsonyabb, mint a 2-es pin feszültsége a nyugalmi (tétlen) állapotot. Ezt a problémát egyszerűen úgy lehet orvosolni, hogy egy LED-et sorba adunk a Q2 alaphoz.

2) IC 555 használata

A bejegyzés egy hatékony IC 555 alapú kapacitív közelségérzékelő áramkört ismertet, amelyet fel lehet használni a behatolók észlelésére egy olyan áras tárgy közelében, mint például a járműve. Az ötletet Mr. Max Payne kérte.

Az áramköri kérelem

Helló Swagatam,

Kérjük, tegyen be egy kapacitív / test / érzékeny áramkört a kerékpárra. Ilyen eszköz látható az autó biztonsági rendszerén. Ha valaki közelebb kerül az autóhoz, vagy ha egy egyszerű 1-es távolság a közelben van, akkor 5 másodpercre aktiválja a riasztást.

Hogyan működik ez a típusú riasztás, a riasztás csak akkor vált ki, amikor valaki közelebb kerül (mondjuk 30 cm-re), milyen típusú érzékelőt használ?

Kördiagramm

Áramköri kép jóvoltából: Elektor Electronics

A dizájn

A kapacitív érzékelő áramköre a következő leírás segítségével érthető meg:

Az IC1 alapvetően kábellel van bekötve, de valódi kondenzátor beépítése nélkül. Itt egy kapacitív lemezt vezetünk be, amely felveszi a kondenzátor helyzetét, amely szükséges a stabil működéshez.

Meg kell jegyezni, hogy a nagyobb kapacitív lemez jobb és sokkal megbízhatóbb választ eredményez az áramkörből.

Mivel az áramkört a jármű karosszériájának közelségi riasztórendszereként kívánják működni, maga a karosszéria is használható kapacitív lemezként, és hatalmas volumenű, nagyon jól illene az alkalmazáshoz.

Amint a kapacitív közelségérzékelő lemez integrálva van, az IC555 készenléti állapotba kerül az elképesztő cselekvésekhez.

Ha egy „földi” elemet közvetlen közelben észlelnek, amely lehet az ember keze, akkor a szükséges kapacitás kialakul az IC 2/6 érintkezőjén és az IC földjén.

A fentiek a frekvencia azonnali fejlődését eredményezik, amikor az IC megkezdődik a lengésképes módban.

Az aszimbólumjelet az IC pin3-as pontján veszik fel, amelyet R3, R4, R5 és C3 ---- C5 segítségével megfelelően 'integrálnak'.

Az „integrált” eredményt egy összehasonlító eszközként rögzített opamp szakaszba továbbítják.

Az IC2 körül kialakított komparátor reagál erre az IC1-től kapott változásra, és átalakító feszültséggé alakítja, működteti a T1-et és a megfelelő relét.

A relét szirénával vagy kürtrel lehet bekötni a szükséges riasztáshoz.

Gyakorlatilag azonban látható, hogy az IC1 csúcs pozitív és negatív feszültséget produkál abban a pillanatban, amikor egy caapcitív testet észlelnek a lemez közelében.

Az IC2 kizárólag a csúcsfeszültség ezen hirtelen emelkedésére reagál a szükséges kiváltáshoz.

Ha a kapacitív test továbbra is a lemez közvetlen közelében van, akkor a 3-as érintkezőnél a csúcsfrekvencia-feszültség eltűnik aa szintre, amelyet az IC2 nem tud felismerni, inaktívvá téve azt, vagyis a relé csak abban a pillanatban marad aktív, amikor a kapacitív elemet hozzák vagy eltávolítják a lemez felülete közelében.

A P1, P2 beállítható a maximális érzékenység megszerzéséhez a kapacitív lemezről
A reteszelő akció eléréséhez az IC2 kimenete tovább integrálható egy flip flop áramkörbe, így a kapacitív közelségérzékelő áramköre rendkívül pontos és érzékeny

3) IC PCF8883 használata

Az IC PCF8883-at úgy tervezték, hogy úgy működjön, mint egy precíziós kapacitív közelség-érzékelő kapcsoló egy egyedi (EDISEN szabadalmaztatott) digitális technológián keresztül, hogy érzékelje a kapacitás legkisebb különbségét a megadott érzékelőlemez körül.

Főbb jellemzői

Ennek a speciális kapacitív közelségérzékelőnek a főbb jellemzői az alábbiak szerint tanulmányozhatók:

A következő kép az IC PCF8883 belső konfigurációját mutatja

Az IC nem támaszkodik a hagyományosra dinamikus érzékelési mód inkább a statikus kapacitás változását érzékeli az automatikus korrekció alkalmazásával, folyamatos automatikus kalibrációval.

Az érzékelő alapvetően egy kis vezető fólia formában van, amely közvetlenül integrálható az IC vonatkozó érintkezőivel a tervezett kapacitív érzékeléshez, vagy koaxiális kábeleken keresztül nagyobb távolságra is lezárható, hogy pontos és hatékony távoli kapacitív közelségi érzékelési műveleteket lehessen végrehajtani.

A következő ábrák az IC PCF8883 IC kitűzési részleteit mutatják be. A különböző csatlakozók és a beépített áramkörök részletes működését a következő pontokkal lehet megérteni:

A PCF8883 IC kitöltési adatai

Az a pinout IN, amely állítólag a külső kapacitív érzékelő fóliával van összekötve, az IC belső RC hálózatával van összekötve.

Az RC hálózat 'tdch' által megadott kisütési idejét összehasonlítjuk a második tult csomópontú RC hálózat kisütési idejével, amelyet 'tdchimo' -nak nevezünk.

A két RC hálózat periodikus töltést hajt végre a VDD (INTREGD) révén pár azonos és szinkronizált kapcsolóhálózaton keresztül, majd egy ellenállás segítségével kisütötte Vss-re vagy a földre

A töltéskisülés végrehajtásának sebességét az „fs” jelzésű mintavételi gyakoriság szabályozza.

Abban az esetben, ha a potenciálkülönbséget a belső beállított VM referenciafeszültség alá csökken, úgy tűnik, hogy az összehasonlító megfelelő kimenete alacsony lesz. Az összehasonlítókat követõ logikai szint pontosan azonosítja azt az összehasonlítót, amely valóban képes váltani a másik elõtt.

Ha pedig a felső összehasonlítót azonosítják elsőként, ez azt eredményezi, hogy a CUP-on impulzus jelenik meg, míg ha az alsó összehasonlítót észlelik, hogy a felső előtt váltott, akkor az impulzust a CDN-nél engedélyezték.

A fenti impulzusok részt vesznek a töltésszint szabályozásában a Ccpc külső kondenzátor felett, amely a csapos CPC-hez kapcsolódik. Amikor impulzus keletkezik a CUP-on, a Ccpc-t egy VDDUNTREGD-en keresztül töltik fel egy adott ideig, amely emelkedő potenciált vált ki a Ccpc-n.

Ugyanezeken a vonalakon, amikor a CDN-n impulzus adódik, a Ccpc a földbe kapcsolódik az áramelnyelő eszközhöz, amely kisüti a kondenzátort, és összeomlik.

Valahányszor az IN csapon a kapacitás nagyobb lesz, ennek megfelelően megnő a tdch kisütési idő, ami a megfelelő komparátoron keresztüli feszültséget ennek megfelelően hosszabb időre esik le. Amikor ez megtörténik, az összehasonlító kimenete alacsonyan hajlamos, ami impulzust eredményez a CDN-nél, és arra kényszeríti a CCP külső kondenzátort, hogy kis mértékben kisütjön.

Ez azt jelenti, hogy a CUP most generálja az impulzusok többségét, aminek következtében a CCP még többet tölt fel további lépések nélkül.

Ennek ellenére az IC automatikus feszültségvezérelt kalibrálási funkciója, amely az IN csaphoz társított mosogatóáram-szabályozásra támaszkodik, arra törekszik, hogy kiegyenlítse a tdch kisütési időt, egy belsőleg beállított tdcmef kisütési idővel hivatkozva.

A Ccpg-n keresztüli feszültséget áram vezérli, és meglehetősen gyorsan felelőssé válik az IN kapacitásának kisütéséért, valahányszor a CCP-n átívelő potenciál növekedése észlelhető. Ez tökéletesen kiegyensúlyozza az IN bemeneti tű növekvő kapacitását.

Ez a hatás egy zárt hurkú nyomkövető rendszert eredményez, amely folyamatosan figyelemmel kíséri a tdch kisütési idő automatikus kiegyenlítését a tdchlmf-hez viszonyítva.

Ez segít kijavítani a kapacitás lassú változásait az IC IN csatlakozóján. Gyors töltés idején, például amikor az emberi ujjhoz gyorsan megközelítik az érzékelő fóliát, előfordulhat, hogy a tárgyalt kompenzáció nem alakul ki, egyensúlyi körülmények között a kisütési periódus hossza nem különbözik egymástól, ami az impulzus felváltva ingadozását képezi a CUP és a CDN között.

Ez azt is magában foglalja, hogy nagyobb Ccpg-értékek esetén az egyes impulzusokra viszonylag korlátozott feszültségváltozás várható CUP vagy CDN esetén.

Ezért a belső áramelnyelő lassabb kompenzációt eredményez, ezáltal növelve az érzékelő érzékenységét. Éppen ellenkezőleg, amikor a CCP csökkenést tapasztal, az érzékelő érzékenysége csökken.

Beépített érzékelő monitor

A beépített számláló fokozat figyelemmel kíséri az érzékelő kiváltó okait, és ennek megfelelően megszámolja az impulzusokat a CUP vagy a CDN között. A számláló minden alkalommal visszaáll, amikor a CUP és a CDN közötti impulzus irány váltakozik vagy változik.

Az OUT-ként ábrázolt kimeneti tű csak akkor aktiválódik, ha a CUP-on vagy a CDN-en megfelelő számú impulzust észlelnek. A szenzor vagy a bemeneti kapacitás mérsékelt mértékű interferenciája vagy lassú interakciói nem befolyásolják a kimenet kiváltását.

A chip több feltételt is figyelembe vesz, például az egyenlőtlen töltési / kisütési mintákat, hogy a kimenet megerősített kapcsolása megvalósuljon és a hamis észlelés kiküszöbölődjön.

Haladó indítás

Az IC tartalmaz egy fejlett indítási áramkört, amely lehetővé teszi, hogy a chip meglehetősen gyorsan elérje az egyensúlyt, amint a tápellátás bekapcsol.

Belsőleg az OUT érintkező nyitott lefolyóként van konfigurálva, amely egy nagy logikával (Vdd) indítja el a pinout-ot, legfeljebb 20mA árammal egy csatolt terheléshez. Abban az esetben, ha a kimenetet 30 mA-nél nagyobb terhelés éri, az áramellátás azonnal megszakad a rövidzárlat-védelmi funkció miatt, amely azonnal bekapcsol.
Ez a pinout CMOS-kompatibilis is, ezért minden CMOS-alapú terheléshez vagy áramkörfokozathoz megfelelővé válik.

Mint korábban említettük, az „fs” mintavételi frekvencia paraméter az RC időzítő hálózaton alkalmazott frekvencia 50% -ának felel meg. A mintavételi arány előre beállított tartományon keresztül beállítható a CCLIN értékének megfelelő rögzítésével.

Belsőleg modulált oszcillátor frekvencia, 4% -ban, ál-véletlenszerű szignálon keresztül, gátolja a környező AC frekvenciák interferenciájának minden esélyét.

Kimeneti állapot választó mód

Az IC tartalmaz egy hasznos „kimeneti állapot kiválasztási módot” is, amely felhasználható arra, hogy a kimeneti tű akár monostabil, akár bistabil állapotban legyen, válaszul a bemeneti pinout kapacitív érzékelésére. A következő módon jelenik meg:

1. mód (TYPE engedélyezve a Vss-nél): A kimenet aktívvá válik sp-ig, amíg a bemenetet külső kapacitív befolyás alatt tartja.

2. mód (TYPE engedélyezve a VDD / NTRESD-nél): Ebben az üzemmódban a kimenetet felváltva be- és kikapcsolják (magas és alacsony), reagálva az érzékelő fólia közötti későbbi kapacitív kölcsönhatásokra.

3. mód (CTYPE engedélyezve a TYPE és a VSS között): Ezzel a feltétellel a kimeneti tüske bizonyos előre meghatározott ideig aktiválódik (alacsony), válaszul minden kapacitív érzékelő bemenetre, amelynek időtartama arányos a CTYPE értékével és változtatható 2,5 ms / nF kapacitással.

A CTYPE standard értéke a 10 ms késleltetés kiküszöbölésére a 3. módban 4.7nF lehet, a CTYPE maximálisan megengedett értéke pedig 470nF lehet, ami körülbelül egy másodperces késleltetéssel járhat. Az ebben az időszakban bekövetkező hirtelen kapacitív beavatkozásokat vagy hatásokat egyszerűen figyelmen kívül hagyják.

Az áramkör használata

A következő szakaszokban megismerhetünk egy tipikus áramköri konfigurációt ugyanazon IC használatával, amely minden precíziós távirányítót igénylő termékben alkalmazható a közelség által serkentett műveletek .

A javasolt kapacitív közelség-érzékelő sokféle alkalmazásban sokféleképpen használható, amint azt a következő adatok jelzik:

Az IC-vel történő tipikus alkalmazáskonfiguráció az alábbiakban látható:

Alkalmazási áramkör konfigurációja

A + bemeneti táp a VDD-vel van csatlakoztatva. Egy simító kondenzátor előnyösen csatlakoztatható a VDD-re és a földre, valamint a VDDUNTREGD-re és a földre a chip megbízhatóbb működése érdekében.

A CIN csapon kapott CIN kapacitási értéke hatékonyan rögzíti a mintavételi sebességet. A mintavételi sebesség növelése lehetővé teszi az érzékelő bemenet reakcióidejének megnövelését az áramfelvétel arányos növekedésével

Közelségérzékelő lemez

Az érzékelő kapacitív érzékelő lemez lehet miniatűr fémfólia vagy lemez, árnyékolva és nem vezető réteggel izolálva.

Ezt az érzékelési területet nagyobb távolságokon vagy egy CCAB koaxiális kábelen keresztül lehet megszüntetni, amelynek másik vége összekapcsolódhat az IC bemenetével, vagy a lemez egyszerűen alkalmazható az IC IN csatlakozójához, az alkalmazási igényektől függően.

Az IC belső aluláteresztő szűrő áramkörrel van ellátva, amely segít elnyomni minden olyan RF interferenciát, amely megpróbálhat bejutni az IC felé az IC IN tűjén keresztül.

Ezenkívül, amint azt az ábra mutatja, hozzáadhat egy külső konfigurációt is RF és CF használatával, hogy tovább fokozza az RF-elnyomást és megerősítse az áramkör RF-immunitását.

Az áramkör optimális teljesítményének elérése érdekében ajánlott, hogy a CSENSE + CCABLE + Cp kapacitásértékeinek összege egy adott megfelelő tartományban legyen, jó szint 30 pF körül lehet.

Ez elősegíti a vezérlő hurok jobb működését a statikus kapacitással a CSENSE felett, hogy kiegyenlítse az érzékelő kapacitív lemez meglehetősen lassabb kölcsönhatásait.

Megnövelt kapacitív bemenetek elérése

A megnövekedett kapacitív bemenetek elérése érdekében javasolható egy kiegészítő Rc ellenállás beépítése, amint azt az ábra mutatja, amely segít a kisütési idő szabályozásában a belső időzítési követelmény specifikációinak megfelelően.

A csatlakoztatott érzékelőlemez vagy egy érzékelőfólia keresztmetszeti területe egyenesen arányossá válik az áramkör érzékenységével, a Ccpc kondenzátor értékével együtt, a Ccpc érték csökkentése nagymértékben befolyásolhatja az érzékelő lemez érzékenységét. Ezért a hatékony érzékenység elérése érdekében a Ccpc-t optimálisan és ennek megfelelően lehet növelni.

A CPC-vel jelölt kivezetés belső impedanciájának tulajdonítható, ezért érzékeny lehet a szivárgási áramokra.

Győződjön meg arról, hogy a Ccpc-t kiváló minőségű MKT típusú kondenzátorral vagy X7R típusú kondenzátorral választják-e, hogy a tervezés optimális teljesítményt nyújtson.

Alacsony hőmérsékleten működik

Abban az esetben, ha a rendszert korlátozott bemeneti kapacitással, legfeljebb 35 pF, és fagypont -20 ° C hőmérsékleten kívánják működtetni, akkor tanácsos lehet az IC tápfeszültségét 2,8 V körüli értékre csökkenteni. Ez viszont csökkenti a Vlicpc feszültség működési tartományát, amelynek specifikációja 0,6 V és VDD - 0,3 V között van.

Ezenkívül a Vucpc működési tartományának csökkentése az áramkör bemeneti kapacitási tartományának arányos csökkenését eredményezheti.

Azt is észrevehetjük, hogy amint a Vucpc értéke növekszik a hőmérséklet csökkenésével, amint azt a diagramok mutatják, ez megmondja, hogy a tápfeszültség megfelelő csökkentése miért segít a hőmérséklet csökkenésében.

Ajánlott alkatrész-specifikációk

A 6. és a 7. táblázat az összetevők értékeinek ajánlott tartományát mutatja, amelyeket a fenti utasításokra hivatkozva megfelelően lehet megválasztani a kívánt alkalmazási előírásoknak megfelelően.

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