3 łatwe w użyciu pojemnościowe obwody czujnika zbliżeniowego

W tym poście obszernie omawiamy 3 podstawowe obwody czujników zbliżeniowych z wieloma obwodami aplikacji i szczegółowymi cechami obwodu. Pierwsze dwa obwody pojemnościowego czujnika zbliżeniowego wykorzystują proste koncepcje oparte na układach IC 741 i IC 555, podczas gdy ostatni jest nieco dokładniejszy i zawiera precyzyjną konstrukcję opartą na układzie IC PCF8883

1) Za pomocą IC 741

Obwód wyjaśniony poniżej może być skonfigurowany do aktywacji przekaźnika lub dowolnego odpowiedniego obciążenia, takiego jak kran z wodą , gdy tylko ludzkie ciało lub ręka zbliży się do pojemnościowej płytki czujnika. W określonych warunkach bliskość dłoni wystarcza tylko do wyzwolenia wyjścia obwodu.

Wejście o wysokiej impedancji jest podawane przez Q1, który jest zwykłym tranzystorem polowym, takim jak 2N3819. Standardowy wzmacniacz operacyjny 741 jest stosowany w postaci czułego przełącznika poziomu napięcia, który następnie zasila bufor prądowy Q2, średnioprądowy tranzystor bipolarny pnp, aktywując w ten sposób przekaźnik, który może być przyzwyczajony do przełączania urządzeń, takich jak alarmy, kran itp. .

Gdy obwód jest w stanie spoczynku bezczynności, napięcie na styku 3 wzmacniacza operacyjnego jest ustalane na poziomie wyższym niż poziom napięcia na styku 2 przez odpowiednie ustawienie wstępnie ustawionego VR1.

Zapewnia to, że napięcie na pinie wyjściowym 6 będzie wysokie, powodując, że tranzystor Q2 i przekaźnik pozostaną wyłączone.

Gdy palec zostanie zbliżony do płytki czujnika lub lekko go dotknie, obniżające się przeciwne odchylenie VGS zwiększy prąd drenu tranzystora FET Q1, a wynikający z tego spadek napięcia R1 zmniejszy napięcie na pinie 3 wzmacniacza operacyjnego poniżej napięcia istniejącego przy pin 2.

Spowoduje to spadek napięcia na pinie 6 iw konsekwencji włączenie przekaźnika za pomocą Q2. Rezystor R4 można określić, aby przekaźnik był wyłączony w normalnych warunkach, biorąc pod uwagę, że na wyjściu pinu 6 wzmacniacza operacyjnego może pojawić się niewielkie dodatnie napięcie wyłączenia, nawet jeśli napięcie na pinie 3 jest niższe niż napięcie na pinie 2 w stan spoczynku (bezczynności). Ten problem można rozwiązać po prostu dodając diodę LED szeregowo z podstawą Q2.

2) Za pomocą IC 555

W poście wyjaśniono skuteczny obwód pojemnościowego czujnika zbliżeniowego opartego na IC 555, który może być używany do wykrywania intruzów w pobliżu cennego obiektu, takiego jak pojazd. Pomysł został zgłoszony przez pana Maxa Payne'a.

Żądanie obwodu

Cześć Swagatam,

Prosimy o przesłanie obwodu pojemnościowego / korpusu / czułego na rower. Takie urządzenie widziane na samochodowym systemie bezpieczeństwa, gdy ktoś podejdzie bliżej samochodu lub zwykła 1 w pobliżu, uruchomi alarm na 5 sekund.

Jak działa ten typ alarmu, alarm uruchamia się tylko wtedy, gdy ktoś podejdzie bliżej (powiedzmy 30 cm), jakiego typu czujnika używa?

Schemat obwodu

Zdjęcie obwodu dzięki uprzejmości: Elektor Electronics

Projektowanie

Obwód czujnika pojemnościowego można zrozumieć za pomocą następującego opisu:

IC1 jest w zasadzie okablowany jako astabilny, ale bez wbudowania prawdziwego kondensatora. Tutaj wprowadzana jest płytka pojemnościowa, która zajmuje pozycję kondensatora wymaganą do stabilnego działania.

Należy zauważyć, że większa płytka pojemnościowa zapewni lepszą i bardziej niezawodną odpowiedź z obwodu.

Ponieważ obwód ma działać jako system ostrzegania o bliskości nadwozia pojazdu, samo nadwozie mogłoby służyć jako płyta pojemnościowa, a jego wielkość byłaby całkiem dobra do tego zastosowania.

Po zintegrowaniu pojemnościowej płytki czujnika zbliżeniowego IC555 przechodzi w stan gotowości do wykonywania niestabilnych działań.

Po wykryciu elementu „uziemienia” w bliskiej odległości, którym może być ręka człowieka, wymagana pojemność jest rozwijana na pinie 2/6 i masie układu scalonego.

Powyższe powoduje natychmiastowy rozwój częstotliwości, gdy układ scalony zaczyna oscylować w trybie astabilnym.

Sygnał astabilny jest pozyskiwany na pinie 3 układu scalonego, który jest odpowiednio „zintegrowany” za pomocą R3, R4, R5 wraz z C3 ---- C5.

„Zintegrowany” wynik jest podawany na stopień opamp skonfigurowany jako komparator.

Komparator utworzony wokół IC2 reaguje na tę zmianę z IC1 i przekształca ją na napięcie wyzwalające, działające T1 i odpowiedni przekaźnik.

Do przekaźnika można podłączyć syrenę lub klakson w celu uzyskania wymaganego alarmu.

Jednak praktycznie widać, że IC1 wytwarza szczyt dodatniego do ujemnego impulsu napięcia w chwili, gdy w pobliżu płytki wykrywane jest uziemienie kaapcytywne.

IC2 reaguje wyłącznie na ten nagły wzrost napięcia szczytowego dla wymaganego wyzwolenia.

Jeśli korpus pojemnościowy nadal znajduje się w bliskim sąsiedztwie płytki, szczytowe napięcie częstotliwości na styku 3 znika do poziomu, który może być niewykrywalny przez układ scalony IC2, czyniąc go nieaktywnym, co oznacza, że ​​przekaźnik pozostaje aktywny tylko w chwili, gdy element pojemnościowy jest włączony lub usunięte w pobliżu powierzchni płyty.

P1, P2 można regulować w celu uzyskania maksymalnej czułości z płytki pojemnościowej
Aby uzyskać działanie zatrzaskowe, wyjście IC2 może być dodatkowo zintegrowane z obwodem typu flip flop, dzięki czemu obwód pojemnościowego czujnika zbliżeniowego jest wyjątkowo dokładny i responsywny

3) Za pomocą IC PCF8883

IC PCF8883 został zaprojektowany do pracy jak precyzyjny pojemnościowy czujnik zbliżeniowy dzięki unikalnej (opatentowanej przez EDISEN) technologii cyfrowej do wykrywania najmniejszej różnicy w pojemności wokół określonej płytki czujnikowej.

Główne cechy

Główne cechy tego specjalistycznego pojemnościowego czujnika zbliżeniowego można zbadać, jak podano poniżej:

Poniższy obraz przedstawia wewnętrzną konfigurację IC PCF8883

IC nie opiera się na tradycyjnych rozwiązaniach tryb pomiaru pojemności dynamicznej raczej wykrywa zmiany pojemności statycznej poprzez zastosowanie automatycznej korekcji poprzez ciągłą autokalibrację.

Czujnik ma zasadniczo postać małej przewodzącej folii, która może być bezpośrednio zintegrowana z odpowiednimi pinoutami układu scalonego dla zamierzonego wykrywania pojemnościowego lub być może zakończona na większe odległości za pomocą kabli koncentrycznych, aby umożliwić dokładne i skuteczne zdalne pojemnościowe operacje wykrywania zbliżeniowego

Poniższe rysunki przedstawiają szczegóły wyprowadzeń układu scalonego PCF8883. Szczegółowe działanie różnych pinów i wbudowanych obwodów można zrozumieć w następujących punktach:

Szczegóły pinów IC PCF8883

Pinout IN, który ma być połączony z zewnętrzną, pojemnościową folią czujnikową, jest połączony z wewnętrzną siecią RC układów scalonych.

Czas rozładowania podany przez „tdch” sieci RC jest porównywany z czasem rozładowania drugiej napływowej sieci RC oznaczonej jako „tdchimo”.

Dwie sieci RC przechodzą okresowe ładowanie przez VDD (INTREGD) przez kilka identycznych i zsynchronizowanych sieci przełączników, a następnie rozładowywane za pomocą rezystora do Vss lub masy

Szybkość, z jaką odbywa się to rozładowanie ładunku, jest regulowana przez częstotliwość próbkowania oznaczoną przez „fs”.

W przypadku, gdy różnica potencjałów spada poniżej wewnętrznie ustawionego napięcia odniesienia VM, odpowiednie wyjście komparatora ma tendencję do obniżania się. Poziom logiki, który następuje po komparatorach, identyfikuje dokładny komparator, który faktycznie mógłby przełączyć się przed innymi.

A jeśli zostanie zidentyfikowane, że górny komparator odpalił jako pierwszy, skutkuje to renderowaniem impulsu na CUP, podczas gdy jeśli zostanie wykryte, że dolny komparator przełączył się przed górnym, wówczas impuls jest włączany w CDN.

Powyższe impulsy uczestniczą w kontrolowaniu poziomu naładowania na zewnętrznym kondensatorze Ccpc związanym z pinem CPC. Kiedy impuls jest generowany na CUP, Ccpc jest ładowany przez VDDUNTREGD przez określony czas, co wyzwala wzrost potencjału na Ccpc.

Całkiem na tych samych liniach, kiedy impuls jest renderowany w CDN, Ccpc zostaje połączony z urządzeniem odbiorczym prądu z masą, która rozładowuje kondensator, powodując zapadnięcie się jego potencjału.

Za każdym razem, gdy pojemność na pinie IN wzrasta, odpowiednio zwiększa się czas rozładowania tdch, co powoduje spadek napięcia na odpowiednim komparatorze w odpowiednio dłuższym czasie. Kiedy to ma miejsce, moc wyjściowa komparatora ma tendencję do obniżania się, co z kolei generuje impuls w CDN, zmuszając zewnętrzny kondensator CCP do rozładowania w mniejszym stopniu.

Oznacza to, że CUP generuje teraz większość impulsów, co powoduje, że procesor CCP ładuje się jeszcze bardziej bez przechodzenia przez dalsze kroki.

Mimo to, funkcja automatycznej kalibracji sterowanej napięciem układu scalonego, która opiera się na „ism” regulacji prądu upływu, powiązanej z pinem IN, próbuje zrównoważyć czas rozładowania tdch poprzez odniesienie go do wewnętrznie ustawionego czasu rozładowania tdcmef.

Napięcie na Ccpg jest kontrolowane prądowo i staje się odpowiedzialne za rozładowanie pojemności na IN raczej szybko, gdy wykryje się wzrost potencjału na CCP. To doskonale równoważy rosnącą pojemność na styku wejściowym IN.

Efekt ten powoduje powstanie systemu śledzenia w zamkniętej pętli, który w sposób ciągły monitoruje i angażuje się w automatyczne wyrównywanie czasu rozładowania tdch w odniesieniu do tdchlmf.

Pomaga to skorygować powolne zmiany pojemności na wyprowadzeniach IN układu scalonego. Podczas gwałtownych stanów ładowania, na przykład gdy ludzki palec szybko zbliża się do folii czujnikowej, omawiana kompensacja może nie nastąpić, w warunkach równowagi długość okresu rozładowania nie różni się, powodując naprzemienne wahania impulsu w CUP i CDN.

To dalej implikuje, że przy większych wartościach Ccpg można oczekiwać stosunkowo ograniczonej zmiany napięcia dla każdego impulsu dla CUP lub CDN.

Dlatego wewnętrzny ujście prądu powoduje wolniejszą kompensację, zwiększając w ten sposób czułość czujnika. Wręcz przeciwnie, gdy CCP doświadcza spadku, powoduje spadek czułości czujnika.

Wbudowany monitor czujnika

Wbudowany stopień licznika monitoruje wyzwalacze czujników i odpowiednio zlicza impulsy w CUP lub CDN, licznik jest resetowany za każdym razem, gdy kierunek impulsu na CUP do CDN zmienia się lub zmienia.

Styk wyjściowy oznaczony jako OUT podlega aktywacji tylko wtedy, gdy zostanie wykryta odpowiednia liczba impulsów w CUP lub CDN. Skromne poziomy zakłóceń lub powolne interakcje na czujniku lub pojemności wejściowej nie mają żadnego wpływu na wyzwalanie wyjścia.

Układ odnotowuje kilka warunków, takich jak nierówne wzorce ładowania / rozładowania, dzięki czemu potwierdzane jest przełączanie wyjścia i eliminowane jest fałszywe wykrywanie.

Zaawansowane uruchomienie

Układ scalony zawiera zaawansowany obwód rozruchowy, który umożliwia chipowi osiągnięcie równowagi dość szybko, gdy tylko zostanie włączone zasilanie.

Wewnętrznie pin OUT jest skonfigurowany jako otwarty dren, który inicjuje pinout z wysoką logiką (Vdd) z maksymalnym prądem 20mA dla podłączonego obciążenia. W przypadku obciążenia wyjścia powyżej 30 mA następuje natychmiastowe odłączenie zasilania z powodu natychmiastowego zadziałania zabezpieczenia przeciwzwarciowego.
Ten pinout jest również kompatybilny z CMOS i dlatego staje się odpowiedni dla wszystkich obciążeń opartych na CMOS lub stopni obwodu.

Jak wspomniano wcześniej, parametr częstotliwości próbkowania „fs” odnosi się do 50% częstotliwości wykorzystywanej w sieci taktowania RC. Częstotliwość próbkowania można ustawić w określonym z góry przedziale, odpowiednio ustalając wartość CCLIN.

Wewnętrznie modulowana częstotliwość oscylatora na poziomie 4% poprzez pseudolosowy sygnał zapobiega wszelkim możliwym zakłóceniom z otaczających częstotliwości prądu przemiennego.

Tryb selektora stanu wyjścia

Układ scalony posiada również przydatny „tryb wyboru stanu wyjścia”, który może być użyty do umożliwienia wyprowadzenia pinów wyjściowych w stan monostabilny lub bistabilny w odpowiedzi na pojemnościowe wykrywanie styków wejściowych. Jest renderowany w następujący sposób:

Tryb # 1 (TYPE włączony przy Vss): Wyjście jest aktywne przez sp długo, dopóki wejście jest utrzymywane pod zewnętrznym wpływem pojemnościowym.

Tryb nr 2 (TYP włączony przy VDD / NTRESD): W tym trybie wyjście jest naprzemiennie włączane i wyłączane (wysokie i niskie) w odpowiedzi na późniejszą interakcję pojemnościową na folii czujnika.

Tryb # 3 (CTYPE włączony między TYPE i VSS): W tym stanie styk wyjściowy jest wyzwalany (niski) na pewien z góry określony czas w odpowiedzi na każde wejście z czujnikiem pojemnościowym, którego czas trwania jest proporcjonalny do wartości CTYPE i może być zmieniany z szybkością 2,5 ms na pojemność nF.

Standardowa wartość dla CTYPE dla uzyskania około 10 ms opóźnienia w trybie nr 3 może wynosić 4,7 nF, a maksymalna dopuszczalna wartość CTYPE to 470 nF, co może skutkować opóźnieniem około sekundy. Wszelkie nagłe interwencje lub wpływy pojemnościowe w tym okresie są po prostu ignorowane.

Jak korzystać z obwodu

W następnych rozdziałach poznamy typową konfigurację obwodu wykorzystującą ten sam układ scalony, który można zastosować we wszystkich produktach wymagających precyzyjnego zdalnego sterowania operacje stymulowane bliskością .

Proponowany pojemnościowy czujnik zbliżeniowy może mieć różnorodne zastosowanie w wielu różnych zastosowaniach, jak wskazano w poniższych danych:

Typową konfigurację aplikacji z wykorzystaniem układu scalonego można zobaczyć poniżej:

Konfiguracja obwodu aplikacji

Zasilanie wejściowe + jest dołączane do VDD. Kondensator wygładzający może być korzystnie podłączony w poprzek i VDD i uziemienie, a także w poprzek VDDUNTREGD i masy, aby zapewnić bardziej niezawodną pracę chipa.

Wartość pojemności COLIN, jaka jest wytwarzana na pinie CLIN, skutecznie ustala częstotliwość próbkowania. Zwiększenie częstotliwości próbkowania może umożliwić wydłużenie czasu reakcji na wejściu czujnika wraz z proporcjonalnym wzrostem poboru prądu

Płytka czujnika zbliżeniowego

Czujnik pojemnościowy może mieć postać miniaturowej metalowej folii lub płytki ekranowanej i izolowanej nieprzewodzącą warstwą.

Ten obszar wykrywania może być albo zakończony na dłuższych odległościach za pomocą kabla koncentrycznego CCABLE, którego drugie końce mogą być połączone z wejściem IN układu scalonego, albo płytka może być po prostu bezpośrednio połączona z wyprowadzeniem IN układu scalonego, w zależności od potrzeb aplikacji.

Układ scalony jest wyposażony w wewnętrzny obwód filtra dolnoprzepustowego, który pomaga tłumić wszelkie formy zakłóceń RF, które mogą próbować dostać się do układu scalonego przez pin IN układu scalonego.

Dodatkowo, jak pokazano na schemacie, można również dodać konfigurację zewnętrzną przy użyciu RF i CF, aby jeszcze bardziej wzmocnić tłumienie RF i wzmocnić odporność obwodu RF.

Aby uzyskać optymalną wydajność obwodu, zaleca się, aby suma wartości pojemności CSENSE + CCABLE + Cp mieściła się w odpowiednim odpowiednim zakresie, dobry poziom może wynosić około 30 pF.

Pomaga to w lepszej pracy pętli sterującej ze statyczną pojemnością w porównaniu z CSENSE w celu wyrównania raczej wolniejszych interakcji na pojemnościowej płycie czujnikowej.

Uzyskaj zwiększone pojemnościowe wejścia

W celu uzyskania zwiększonych poziomów wejść pojemnościowych może być zalecane dołączenie dodatkowego rezystora Rc, jak pokazano na schemacie, który pomaga kontrolować czas rozładowania zgodnie z wewnętrznymi specyfikacjami wymagań czasowych.

Pole przekroju poprzecznego przymocowanej płytki czujnikowej lub folii czujnikowej staje się wprost proporcjonalne do czułości obwodu, w połączeniu z wartością kondensatora Ccpc, zmniejszenie wartości Ccpc może znacznie wpłynąć na czułość płytki czujnikowej. Dlatego w celu uzyskania efektywnej czułości wartość Ccpc można zwiększyć optymalnie i odpowiednio.

Pinout oznaczony CPC ma wewnętrznie przypisaną wysoką impedancję i dlatego może być podatny na prądy upływowe.

Upewnij się, że wybrano Ccpc z wysokiej jakości kondensatorem PPC typu MKT lub typu X7R, aby uzyskać optymalną wydajność projektu.

Praca w niskich temperaturach

W przypadku, gdy system ma pracować z ograniczoną pojemnością wejściową do 35 pF i przy ujemnych temperaturach -20 stopni C, wskazane może być obniżenie napięcia zasilania układu scalonego do około 2,8 V. To z kolei obniża zakres roboczy napięcia Vlicpc, którego specyfikacja mieści się w zakresie od 0,6 V do VDD - 0,3 V.

Ponadto obniżenie zakresu roboczego Vucpc może skutkować proporcjonalnym zmniejszeniem zakresu pojemności wejściowej obwodu.

Można też zauważyć, że wraz ze spadkiem temperatury wartość Vucpc rośnie, co pokazują wykresy, co wyjaśnia, dlaczego odpowiednie obniżenie napięcia zasilania pomaga w obniżaniu temperatury.

Zalecane specyfikacje komponentów

Tabela 6 i Tabela 7 wskazują zalecany zakres wartości składników, które można odpowiednio dobrać zgodnie z wymaganymi specyfikacjami zastosowania w odniesieniu do powyższych instrukcji.

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