Istražena 3 laka kapacitivna kruga senzora blizine

U ovom postu detaljno raspravljamo o 3 osnovna sklopa senzora blizine s mnogim aplikacijskim krugovima i detaljnim značajkama kruga. Prva dva kapacitivna sklopa senzora blizine koriste jednostavne koncepte zasnovane na IC 741 i IC 555, dok je posljednji malo precizniji i uključuje precizan dizajn temeljen na IC PCF8883

1) Upotrebom IC 741

Sastav objašnjen u nastavku može se konfigurirati za aktiviranje releja ili bilo kojeg prikladnog opterećenja kao što je slavina za vodu , čim se ljudsko tijelo ili ruka približe kapacitivnoj ploči senzora. U određenim uvjetima blizina ruke dovoljna je samo za aktiviranje izlaza kruga.

Ulaz visoke impedancije daje Q1, koji je redoviti tranzistor s efektom polja poput 2N3819. Upotrebljava se standardno optičko pojačalo 741 u obliku osjetljivog prekidača razine napona koji zatim pokreće trenutni odbojnik Q2, bipolarni tranzistor srednje struje pnp, aktivirajući na taj način relej koji je naviknut prebacivati ​​uređaj, poput alarma, slavine itd. .

Dok je krug u stanju mirovanja u praznom hodu, napon na kontaktu 3 opcijskog pojačala fiksira se na veću razinu napona pina 2 odgovarajućim podešavanjem unaprijed postavljene VR1.

To osigurava da će napon na izlaznom zatiču 6 biti visok, zbog čega će tranzistor Q2 i relej ostati isključeni.

Kada se prst približi neposrednoj blizini ploče senzora ili se lagano dodiruje, snižavanje suprotnog prednapona smanjujući struju FET Q1 i rezultirajući pad preko R1 napona smanjit će napon op 3 amp napona ispod napona koji postoji na iglica 2.

To će rezultirati padom napona na zatiču 6 i posljedično uključivanjem releja pomoću Q2. Otpornik R4 može se odrediti kako bi se relej isključio u normalnim uvjetima, s obzirom na to da bi se na izlazu optičkog pojačala 6 mogao razviti mali pozitivni isključeni napon, čak i ako je napon pin 3 niži od napona pin 2 u stanje mirovanja (mirovanja). Taj bi se problem mogao riješiti jednostavnim dodavanjem LED diode u seriji s bazom Q2.

2) Upotrebom IC 555

Post objašnjava učinkoviti krug kapacitivnog senzora blizine zasnovan na IC 555 koji se može koristiti za otkrivanje uljeza u blizini objekta s cijenom, poput vašeg vozila. Ideju je zatražio gospodin Max Payne.

Zahtjev za krug

Pozdrav Swagatam,

Pošaljite kapacitivni / tijelo / osjetljivi krug koji se može primijeniti na biciklu. Takav uređaj viđen na sigurnosnom sustavu automobila. Kad se netko približi automobilu ili jednostavna blizina od 1 cm aktivira alarm na 5 sekundi.

Kako funkcionira ova vrsta alarma, alarm se aktivira samo kad se netko približi (recimo 30 cm) koju vrstu senzora koristi?

Kružni dijagram

Ljubaznošću slike kruga: Elektor Electronics

Dizajn

Kapacitivni senzorski krug može se razumjeti uz pomoć sljedećeg opisa:

IC1 je u osnovi ožičen kao postojan, ali bez ugrađivanja pravog kondenzatora. Ovdje se uvodi kapacitivna ploča i zauzima položaj kondenzatora potreban za nesigurni rad.

Treba imati na umu da će veća kapacitivna ploča proizvesti bolji i mnogo pouzdaniji odziv kruga.

Budući da je sklop namijenjen za rad kao sigurnosni sustav upozorenja o blizini vozila, samo tijelo moglo bi se koristiti kao kapacitivna ploča, a ono što je ogromno po volumenu sasvim bi odgovaralo aplikaciji.

Jednom kad se integrira ploča kapacitivnog senzora blizine, IC555 dolazi u stanje pripravnosti za pokretanje.

Prilikom otkrivanja 'uzemljenog' elementa u neposrednoj blizini, koji bi mogao biti ruka čovjeka, potreban se kapacitet razvija preko pin2 / 6 i uzemljenja IC.

Gore navedeno rezultira trenutnim razvojem frekvencije dok IC počinje oscilirati u svom nestabilnom načinu rada.

Nestabilni signal dobiva se na pin3 IC-a koji je na odgovarajući način 'integriran' uz pomoć R3, R4, R5 zajedno s C3 ---- C5.

'Integrirani' rezultat dovodi se na opamp pozornicu montiranu kao komparator.

Usporednik formiran oko IC2 reagira na ovu promjenu od IC1 i prevodi ga u okidački napon, radni T1 i odgovarajući relej.

Relej može biti ožičen sirenom ili sirenom za potrebnu uzbunu.

Međutim, praktički se vidi da IC1 proizvodi vršni impuls pozitivnog do negativnog napona u trenutku kada se detektira kaapcitivno tlo u blizini ploče.

IC2 isključivo reagira na ovaj nagli porast vršnog napona za potrebno okidanje.

Ako se kapacitivno tijelo i dalje nalazi u neposrednoj blizini ploče, napon vršne frekvencije na pin3 nestaje na razini koja može biti neotkrivena od strane IC2, čineći ga neaktivnim, što znači da relej ostaje aktivan u trenutku kada se kapacitivni element dovede ili uklonjena u blizini površine ploče.

P1, P2 mogu se prilagoditi za postizanje maksimalne osjetljivosti s kapacitivne ploče
Za postizanje zahvata zaključavanja, izlaz IC2 može se dalje integrirati u krug flip flopa, što čini krug kapacitivnog senzora blizine izuzetno preciznim i odzivnim

3) Korištenje IC PCF8883

IC PCF8883 dizajniran je za rad poput preciznog kapacitivnog prekidača senzora blizine kroz jedinstvenu (patentiranu EDISEN) digitalnu tehnologiju za otkrivanje najmanje razlike u kapacitetu oko njegove određene osjetne ploče.

Glavne značajke

Glavne značajke ovog specijaliziranog kapacitivnog senzora blizine mogu se proučiti kako su date u nastavku:

Sljedeća slika prikazuje unutarnju konfiguraciju IC PCF8883

IC se ne oslanja na tradicionalno dinamički kapacitivni način osjetljivosti radije otkriva varijaciju statičkog kapaciteta primjenjujući automatsku korekciju kontinuiranom automatskom kalibracijom.

Osjetnik je u osnovi u obliku male vodljive folije koja se može izravno integrirati s odgovarajućim izvodima IC-a za predviđeno kapacitivno osjetilo ili možda završiti na veće udaljenosti koaksijalnim kabelima kako bi se omogućile točne i učinkovite daljinske kapacitivne radnje osjetljivosti blizine

Sljedeće slike predstavljaju detalje o pinoutu IC PCF8883. Detaljan rad različitih pinouta i ugrađenih sklopova može se razumjeti sa sljedećim točkama:

Pojedinosti o pinouti IC PCF8883

Pinout IN koji bi trebao biti povezan s vanjskom kapacitivnom osjetljivom folijom povezan je s unutarnjom RC mrežom IC-a.

Vrijeme pražnjenja koje daje 'tdch' RC mreže uspoređuje se s vremenom pražnjenja druge in-bult RC mreže označeno kao 'tdchimo'.

Dvije RC mreže prolaze kroz periodično punjenje od strane VDD (INTREGD) kroz nekoliko identičnih i sinkroniziranih preklopnih mreža, a zatim se prazne uz pomoć otpornika na Vss ili zemlju

Brzina kojom se izvodi ovo pražnjenje naboja regulira se brzinom uzorkovanja označenom s 'fs'.

U slučaju da se vidi da se razlika potencijala spušta ispod interno postavljenog referentnog napona VM, odgovarajući izlaz komparatora nastoji postati nizak. Logička razina koja slijedi usporednike identificira točnu usporedbu koja bi se zapravo mogla prebaciti prije druge.

A ako se utvrdi da je gornji komparator prvi pucao, to rezultira impulsom koji se generira na CUP-u, dok ako se utvrdi da je donji komparator prebacio prije gornjeg, tada je puls omogućen na CDN-u.

Gore navedeni impulsi sudjeluju u kontroli razine napunjenosti preko vanjskog kondenzatora Ccpc povezanog s pin CPC-om. Kada se na CUP generira impuls, Ccpc se puni putem VDDUNTREGD-a tijekom određenog vremenskog razdoblja što pokreće potencijal porasta na Ccpc.

Sasvim na istim linijama, kad se impuls generira na CDN-u, Ccpc se poveže s trenutnim uređajem za poniranje na zemlju koja prazni kondenzator uzrokujući njegov potencijalni kolaps.

Kad god kapacitet na pin IN postane veći, on u skladu s tim povećava vrijeme pražnjenja tdch, što uzrokuje pad napona na odgovarajućoj komparaciji u odgovarajuće duljem vremenu. Kada se to dogodi, izlaz komparatora teži ka smanjenju, što zauzvrat daje impuls na CDN-u prisiljavajući vanjski kondenzator CCP da se isprazni u nešto manjem stupnju.

To implicira da CUP sada generira većinu impulsa zbog čega se CCP puni još više bez prolaska kroz daljnje korake.

Unatoč tome, značajka automatske kalibracije upravljane naponom IC-a koja se oslanja na regulaciju struje 'ism' sudopera povezana s pin IN nastoji uravnotežiti vrijeme pražnjenja tdch upućujući ga na interno postavljeno vrijeme pražnjenja tdcmef.

Napon na Ccpg kontrolira se strujom i postaje odgovoran za pražnjenje kapacitivnosti na IN prilično brzo kad god se utvrdi da se potencijal preko CCP povećava. Ovo savršeno uravnotežuje sve veći kapacitet na ulaznom pinu IN.

Taj efekt dovodi do zatvorenog sustava praćenja koji kontinuirano nadgleda i uključuje se u automatsko izjednačavanje vremena pražnjenja tdch u odnosu na tdchlmf.

To pomaže u ispravljanju tromih varijacija u kapacitivnosti na IN pinout IC-a. Tijekom brzo punjenja, na primjer kada se ljudski prst brzo približi senzorskoj foliji, raspravljana kompenzacija možda neće proći, u ravnotežnim uvjetima duljina razdoblja pražnjenja ne razlikuje se uzrokujući da puls naizmjenično fluktuira između CUP i CDN.

To nadalje implicira da se kod većih vrijednosti Ccpg može očekivati ​​relativno ograničena varijacija napona za svaki impuls za CUP ili CDN.

Zbog toga unutarnji sudoper struje dovodi do sporije kompenzacije, čime se povećava osjetljivost senzora. Suprotno tome, kada CCP doživi pad, osjetljivost senzora opada.

Ugrađeni senzorski monitor

Ugrađeni stupanj brojača nadgleda okidače senzora i odgovarajuće broji impulse na CUP ili CDN, brojač se resetira svaki put kad se smjer pulsa preko CUP na CDN izmjeni ili promijeni.

Izlazni pin prikazan kao OUT podvrgava se aktivaciji samo kada se otkrije dovoljan broj impulsa preko CUP ili CDN. Umjerene razine smetnji ili spore interakcije preko senzora ili ulaznog kapaciteta ne proizvode nikakav učinak na okidanje izlaza.

Čip bilježi nekoliko uvjeta kao što su nejednaki obrasci punjenja / pražnjenja, tako da se prikazuje potvrđeno prebacivanje izlaza i uklanja lažno otkrivanje.

Napredno pokretanje

IC uključuje napredni krug za pokretanje koji omogućuje čipu da postigne ravnotežu prilično brzo čim se uključi napajanje.

Interno je pin OUT konfiguriran kao otvoreni odvod koji pokreće pinout s velikom logikom (Vdd) s najviše 20 mA struje za priključeno opterećenje. U slučaju da je na izlazu opterećenje veće od 30 mA, napajanje se trenutno prekida zbog značajke zaštite od kratkog spoja koja se trenutno aktivira.
Ovaj je pinout također kompatibilan s CMOS-om i stoga postaje prikladan za sva opterećenja ili stupnjeve kruga na temelju CMOS-a.

Kao što je ranije spomenuto, parametar brzine uzorkovanja 'fs' odnosi se na 50% frekvencije koja se koristi s RC vremenskom mrežom. Brzina uzorkovanja može se postaviti u unaprijed određenom rasponu odgovarajućim fiksiranjem vrijednosti CCLIN.

Interno modulirana frekvencija oscilatora pri 4% kroz pseudo-slučajni signal sprječava bilo kakvu šansu za smetnje iz okolnih izmjeničnih frekvencija.

Način odabira stanja izlaza

IC također ima koristan 'način odabira izlaznog stanja' koji se može koristiti za omogućavanje izlaznog pina u monostabilnom ili bistabilnom stanju kao odgovor na kapacitivno senziranje ulaznog pinouta. Prikazuje se na sljedeći način:

Način br. 1 (TIP omogućen na Vss): Izlaz postaje aktivan tijekom sp sve dok se ulaz drži pod vanjskim kapacitivnim utjecajem.

Način br. 2 (TIP omogućen na VDD / NTRESD): U ovom načinu rada izlaz se naizmjenično UKLJUČUJE i ISKLJUČUJE (visok i nizak) kao odgovor na naknadnu kapacitivnu interakciju preko folije senzora.

Način br. 3 (CTYPE omogućen između TYPE i VSS): U ovom se stanju izlazni pin aktivira (nizak) neko unaprijed određeno vrijeme kao odgovor na svaki kapacitivni senzorski ulaz, čije je trajanje proporcionalno vrijednosti CTYPE i može se mijenjati sa brzinom od 2,5 ms po nF kapacitivnosti.

Standardna vrijednost za CTYPE za zaobilaženje kašnjenja od 10 ms u načinu br. 3 može biti 4,7 nF, a najveća dopuštena vrijednost za CTYPE može biti 470 nF, što može rezultirati kašnjenjem od oko sekunde. Sve nagle kapacitivne intervencije ili utjecaji tijekom tog razdoblja jednostavno se zanemaruju.

Kako se koristi krug

U sljedećim odjeljcima saznajemo tipičnu konfiguraciju sklopa koja koristi isti IC koji se može primijeniti na sve proizvode koji zahtijevaju precizno daljinsko upravljanje operacije stimulirane blizinom .

Predloženi kapacitivni senzor blizine može se raznoliko koristiti u mnogim različitim primjenama kako je naznačeno u sljedećim podacima:

Tipična konfiguracija aplikacije koja koristi IC može se vidjeti u nastavku:

Konfiguracija kruga aplikacije

Ulazni izvor + priključen je na VDD. Kondenzator za zaglađivanje može se po mogućnosti spojiti preko VDD i uzemljenja, a također i preko VDDUNTREGD i uzemljenja za pouzdaniji rad čipa.

Vrijednost kapacitivnosti COLIN-a proizvedena na pin-u CLIN učinkovito popravlja brzinu uzorkovanja. Povećavanje brzine uzorkovanja može omogućiti produženo vrijeme reakcije na ulazu osjetnika s razmjernim povećanjem trenutne potrošnje

Ploča senzora blizine

Osjetljiva kapacitivna osjetljiva ploča može biti u obliku minijaturne metalne folije ili ploče zaštićene i izolirane neprovodljivim slojem.

Ovo područje osjetljivosti moglo bi se prekinuti na većim udaljenostima koaksijalnim kabelom CCABLE čiji drugi krajevi mogu biti povezani s IN-om IC, ili se ploča može jednostavno izravno povezati s IN-izlazom IC-a, ovisno o potrebama primjene.

IC je opremljen unutarnjim krugom niskopropusnih filtara koji pomaže u suzbijanju svih oblika RF smetnji koje se mogu pokušati probiti do IC kroz IN pin IC-a.

Uz to, kao što je prikazano na dijagramu, može se dodati i vanjska konfiguracija pomoću RF i CF za daljnje pojačavanje RF potiskivanja i pojačanje RF imunosti za krug.

Da bi se postigle optimalne performanse iz kruga, preporučuje se da zbroj vrijednosti kapacitivnosti CSENSE + CCABLE + Cp bude unutar određenog odgovarajućeg raspona, dobra razina može biti oko 30pF.

To pomaže upravljačkoj petlji da radi na bolji način sa statičkim kapacitetom preko CSENSE-a za izjednačavanje prilično sporih interakcija na osjetljivoj kapacitivnoj ploči.

Postignite povećani kapacitivni ulazi

Za postizanje povećane razine kapacitivnih ulaza može se preporučiti uključivanje dodatnog otpora Rc kako je naznačeno na dijagramu koji pomaže u kontroli vremena pražnjenja prema specifikacijama internih vremenskih zahtjeva.

Površina poprečnog presjeka pričvršćene osjetne ploče ili osjetljive folije postaje izravno proporcionalna osjetljivosti kruga, zajedno s vrijednošću kondenzatora Ccpc, smanjenje vrijednosti Ccpc može uvelike utjecati na osjetljivost osjetljive ploče. Stoga bi se za postizanje učinkovite količine osjetljivosti Ccpc mogao optimalno povećati i u skladu s tim.

Ispis s oznakom CPC interno se pripisuje visokoj impedanciji i stoga može biti osjetljiv na struje curenja.

Obavezno odaberite Ccpc s visokokvalitetnim PPC kondenzatora tipa MKT ili tipa X7R za postizanje optimalnih performansi iz dizajna.

Radi na niskim temperaturama

U slučaju da je sustav namijenjen za rad s ograničenim ulaznim kapacitetom do 35pF i pri temperaturama smrzavanja -20 stupnjeva C, tada bi moglo biti preporučljivo spustiti opskrbni napon na IC na oko 2,8V. To zauzvrat smanjuje radni opseg napona Vlicpc čija se specifikacija nalazi između 0,6 V i VDD - 0,3 V.

Štoviše, smanjenje radnog opsega Vucpc-a moglo bi rezultirati proporcionalnim smanjenjem raspona ulazne kapacitivnosti kruga.

Također, može se primijetiti da kako se vrijednost Vucpc povećava s padom temperature što je prikazano na dijagramima, što nam govori zašto odgovarajuće snižavanje napona napajanja pomaže u smanjenju temperatura.

Preporučene specifikacije komponenata

Tablice 6. i 7. prikazuju preporučeni raspon vrijednosti komponenata koji se mogu odgovarajuće odabrati prema željenim specifikacijama primjene uz pozivanje na gornje upute.

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