3 eenvoudige capacitieve nabijheidssensorcircuits onderzocht

In dit bericht bespreken we uitgebreid een 3 basisafstandssensorcircuits met veel applicatiecircuits en gedetailleerde functies van het circuit. De eerste twee capacitieve naderingssensorcircuits gebruiken een eenvoudig IC 741- en IC 555-gebaseerd concept, terwijl de laatste iets nauwkeuriger is en een op IC PCF8883 gebaseerd ontwerp bevat.

1) Met behulp van IC 741

Het circuit dat hieronder wordt uitgelegd, kan worden geconfigureerd om een ​​relais of een andere geschikte belasting te activeren, zoals een waterkraan , zodra het menselijk lichaam of de hand in de buurt van de capacitieve sensorplaat komt. Onder specifieke omstandigheden is de nabijheid van de hand alleen voldoende om de circuituitgang te activeren.

Een ingang met hoge impedantie wordt gegeven door Q1, een gewone veldeffecttransistor zoals 2N3819. Een standaard 741 opamp wordt gebruikt in de vorm van een gevoelige spanningsniveauschakelaar die vervolgens de stroombuffer Q2 aanstuurt, een middenstroom bipolaire pnp-transistor, waardoor het relais wordt geactiveerd dat kan worden gebruikt om een ​​apparaat te schakelen, zoals alarmen, kraan enz. .

Terwijl het circuit zich in de inactieve standby-toestand bevindt, wordt de spanning op pin 3 van de opamp vastgezet op meer dan het spanningsniveau van pin 2 door de juiste instelling van de preset VR1.

Dit zorgt ervoor dat de spanning op de uitgangspen 6 hoog zal zijn waardoor transistor Q2 en het relais uitgeschakeld blijven.

Wanneer de vinger dicht bij de sensorplaat wordt gebracht of licht wordt aangeraakt, zal een verlaging van de tegengestelde voorspanning VGS de afvoerstroom van de FET Q1 verhogen en de resulterende daling over de R1-spanning zal de opamp-pin 3-spanning verlagen tot onder de bestaande spanning op pin 2.

Hierdoor daalt de spanning op pin 6 en schakelt het relais via Q2 in. Weerstand R4 kan worden bepaald om ervoor te zorgen dat het relais onder normale omstandigheden UIT blijft staan, aangezien er een kleine positieve off-set spanning kan ontstaan ​​aan de uitgang van pin 6 op amp, zelfs als de spanning van pin 3 lager is dan de spanning van pin 2 in de rust (inactieve) toestand. Dit probleem kan eenvoudig worden verholpen door een LED in serie met de Q2-basis toe te voegen.

2) IC 555 gebruiken

Het bericht legt een effectief op IC 555 gebaseerd capacitief naderingssensorcircuit uit dat kan worden gebruikt voor het detecteren van indringers in de buurt van een geprijsd object zoals uw voertuig. Het idee werd aangevraagd door de heer Max Payne.

Het circuitverzoek

Hallo Swagatam,

Plaats een capacitief / lichaam / gevoelig circuit dat op de fiets kan worden toegepast. Een dergelijk apparaat dat wordt gezien op het autobeveiligingssysteem, wanneer iemand dichter bij de auto komt of een simpele 1 in ch nabijheid, zou het alarm gedurende 5 seconden afgaan.

Hoe dit type alarm werkt, het alarm gaat alleen af ​​als iemand dichterbij komt (zeg 30 cm) wat voor soort sensor ze gebruiken?

Schakelschema

Met dank aan Circuit Image: Elektor Electronics

Het ontwerp

Het capacitieve sensorcircuit kan worden begrepen met behulp van de volgende beschrijving:

IC1 is in principe bedraad als een astabiel, maar zonder een echte condensator. Hier wordt een capacitieve plaat ingebracht die de positie inneemt van de condensator die nodig is voor de astabiele werking.

Opgemerkt moet worden dat een grotere capacitieve plaat een betere en veel betrouwbare respons van het circuit zal produceren.

Omdat het circuit bedoeld is om te werken als een beveiligingssysteem voor de naderingswaarschuwing van een voertuigcarrosserie, zou de carrosserie zelf kunnen worden gebruikt als capacitieve plaat, en omdat het qua volume enorm is, zou het goed bij de toepassing passen.

Zodra de capacitieve naderingssensorplaat is geïntegreerd, komt de IC555 in een stand-bypositie voor de stabiele acties.

Bij het detecteren van een 'grond'-element van dichtbij, wat de hand van een mens zou kunnen zijn, wordt de vereiste capaciteit ontwikkeld over pin 2/6 en aarde van de IC.

Het bovenstaande resulteert in een onmiddellijke frequentie-ontwikkeling wanneer de IC begint te oscilleren in zijn astabiele modus.

Het stabiele signaal wordt verkregen op pin3 van de IC die op de juiste manier is 'geïntegreerd' met behulp van R3, R4, R5 samen met C3 ---- C5.

Het 'geïntegreerde' resultaat wordt naar een opamp-podium gevoerd dat als comparator is opgetuigd.

De comparator gevormd rond IC2 reageert op deze verandering van IC1 en vertaalt deze in een triggerspanning, die T1 en het bijbehorende relais bedient.

Het relais kan worden bedraad met een sirene of een hoorn voor de vereiste alarmering.

Het is echter praktisch gezien dat IC1 een positieve naar negatieve spanningspuls produceert op het moment dat een caapcitieve aarde wordt gedetecteerd nabij de plaat.

IC2 reageert uitsluitend op deze plotselinge stijging van de piekspanning voor de vereiste activering.

Als het capacitieve lichaam zich in de buurt van de plaat blijft bevinden, verdwijnt de piekfrequentiespanning op pin3 naar een niveau dat mogelijk niet door IC2 kan worden gedetecteerd, waardoor het inactief wordt, wat betekent dat het relais alleen actief blijft op het moment dat het capacitieve element wordt ingeschakeld of verwijderd nabij het plaatoppervlak.

P1, P2 kunnen worden aangepast voor het verkrijgen van maximale gevoeligheid van de capacitieve plaat
Voor het verkrijgen van een vergrendelende actie kan de uitgang van IC2 verder worden geïntegreerd in een flip-flopcircuit, waardoor het capacitieve naderingssensorcircuit extreem nauwkeurig en responsief is

3) IC PCF8883 gebruiken

De IC PCF8883 is ontworpen om te werken als een precisie capacitieve naderingssensor schakelaar door middel van een unieke (EDISEN gepatenteerde) digitale technologie voor het detecteren van het kleinste verschil in de capaciteit rond de gespecificeerde sensorplaat.

Belangrijkste kenmerken

De belangrijkste kenmerken van deze gespecialiseerde capacitieve naderingssensor kunnen als volgt worden onderzocht:

De volgende afbeelding toont de interne configuratie van de IC PCF8883

De IC vertrouwt niet op het traditionele dynamische capaciteitsmodus van detectie detecteert eerder de variatie in de statische capaciteit door automatische correctie toe te passen door middel van continue automatische kalibratie.

De sensor heeft in feite de vorm van een kleine geleidende folie die direct kan worden geïntegreerd met de relevante pinouts van de IC voor de beoogde capacitieve detectie of misschien kan worden afgesloten op langere afstanden via coaxkabels om nauwkeurige en effectieve capacitieve nabijheidsdetectie op afstand mogelijk te maken.

De volgende afbeeldingen vertegenwoordigen de pinout-details van de IC PCF8883. De gedetailleerde werking van de verschillende pinouts en de ingebouwde schakelingen kan worden begrepen met de volgende punten:

Pinout Details van de IC PCF8883

De pinout IN die zou moeten worden verbonden met de externe capacitieve detectiefolie, is verbonden met het interne RC-netwerk van de IC.

De ontladingstijd gegeven door 'tdch' van het RC-netwerk wordt vergeleken met de ontlaadtijd van het tweede in-bult RC-netwerk, aangeduid als 'tdchimo'.

De twee RC-netwerken worden periodiek opgeladen door VDD (INTREGD) via een aantal identieke en gesynchroniseerde schakelnetwerken en vervolgens ontladen met behulp van een weerstand naar Vss of de aarde

De snelheid waarmee deze ladingsontlading wordt uitgevoerd, wordt geregeld door een bemonsteringssnelheid die wordt aangeduid met 'fs'.

In het geval dat het potentiaalverschil onder de intern ingestelde referentiespanning VM daalt, neigt de corresponderende output van de comparator laag te worden. Het logische niveau dat de comparatoren volgt, identificeert de exacte comparator die daadwerkelijk vóór de andere zou kunnen schakelen.

En als wordt vastgesteld dat de bovenste comparator als eerste is geactiveerd, resulteert dit in een puls die wordt weergegeven op CUP, terwijl als wordt gedetecteerd dat de onderste comparator eerder is geschakeld dan de bovenste, de puls wordt ingeschakeld bij CDN.

De bovenstaande pulsen zijn betrokken bij het regelen van het ladingsniveau via de externe condensator Ccpc geassocieerd met pin CPC. Wanneer een puls wordt gegenereerd op CUP, wordt de Ccpc gedurende een bepaalde tijd opgeladen via VDDUNTREGD, wat een stijgend potentieel op Ccpc triggert.

Vrijwel op dezelfde manier, wanneer een puls wordt weergegeven op CDN, wordt de Ccpc verbonden met het huidige zinkapparaat naar aarde, waardoor de condensator wordt ontladen waardoor zijn potentieel instort.

Telkens wanneer de capaciteit op pin IN hoger wordt, wordt de ontladingstijd tdch dienovereenkomstig verlengd, waardoor de spanning over de relevante comparator op een overeenkomstig langere tijd daalt. Wanneer dit plaatsvindt, heeft de uitgang van de comparator de neiging laag te worden, wat op zijn beurt een puls op CDN oplevert, waardoor de externe condensator CCP wordt gedwongen om in een mindere mate te ontladen.

Dit houdt in dat CUP nu het merendeel van de pulsen genereert waardoor CCP nog meer oplaadt zonder verdere stappen te doorlopen.

Desondanks doet de automatische spanningsgestuurde kalibratiefunctie van de IC, die afhankelijk is van een 'isme' van de zinkstroomregeling, geassocieerd met pin IN, een poging om de ontladingstijd tdch te compenseren door deze te verwijzen naar een intern ingestelde ontladingstijd tdcmef.

De spanning over Ccpg wordt stroomgestuurd en wordt verantwoordelijk voor de ontlading van de capaciteit op IN vrij snel wanneer wordt gedetecteerd dat het potentieel over CCP toeneemt. Dit balanceert perfect de toenemende capaciteit op ingangspen IN.

Dit effect geeft aanleiding tot een volgsysteem met gesloten lus, dat continu de ontladingstijd tdch controleert en inschakelt met verwijzing naar tdchlmf.

Dit helpt om trage variaties in capaciteit over de IN pinout van de IC te corrigeren. Tijdens snel opladende sates, bijvoorbeeld wanneer een menselijke vinger de detectiefolie snel benadert, kan de besproken compensatie niet plaatsvinden, in evenwichtscondities verschilt de lengte van de ontladingsperiode niet waardoor de puls afwisselend over CUP en CDN fluctueert.

Dit impliceert verder dat bij grotere Ccpg-waarden een relatief beperkte spanningsvariatie voor elke puls kan worden verwacht voor CUP of CDN.

Daardoor zorgt de interne stroomafname voor een langzamere compensatie, waardoor de gevoeligheid van de sensor toeneemt. Integendeel, wanneer CCP een afname ervaart, wordt de sensorgevoeligheid verlaagd.

Ingebouwde sensormonitor

Een ingebouwde tellertrap bewaakt de sensortriggers en telt dienovereenkomstig de pulsen over CUP of CDN, de teller wordt elke keer gereset wanneer de pulsrichting over de CUP naar CDN wisselt of verandert.

De uitgangspen die wordt weergegeven als OUT ondergaat alleen een activering wanneer een voldoende aantal pulsen over CUP of CDN wordt gedetecteerd. Bescheiden interferentieniveaus of langzame interacties tussen de sensor of de ingangscapaciteit hebben geen effect op de uitgangstriggering.

De chip merkt verschillende omstandigheden op, zoals ongelijke laad / ontlaadpatronen, zodat een bevestigde uitgangsschakeling wordt weergegeven en valse detectie wordt geëlimineerd.

Geavanceerde opstart

Het IC bevat een geavanceerd opstartcircuit waardoor de chip vrij snel in evenwicht komt zodra de voeding ernaar wordt ingeschakeld.

Intern is de pin OUT geconfigureerd als een open drain die de pinout initieert met een hoge logica (Vdd) met een maximum van 20 mA stroom voor een aangesloten belasting. In het geval dat de uitgang wordt blootgesteld aan belastingen van meer dan 30 mA, wordt de voeding onmiddellijk onderbroken vanwege de kortsluitbeveiliging die onmiddellijk wordt geactiveerd.
Deze pinout is ook CMOS-compatibel en wordt daarom geschikt voor alle op CMOS gebaseerde belastingen of circuittrappen.

Zoals eerder vermeld, heeft de bemonsteringsfrequentieparameter 'fs' zichzelf betrekking op 50% van de frequentie die wordt gebruikt met het RC-timingnetwerk. De bemonsteringssnelheid kan worden ingesteld over een vooraf bepaald bereik door de waarde van CCLIN op de juiste manier vast te leggen.

Een intern gemoduleerde oscillatorfrequentie van 4% via een pseudo-willekeurig signaal verhindert elke kans op interferentie van omringende AC-frequenties.

Uitgangsstatuskeuzemodus

Het IC heeft ook een handige 'output state select mode' die kan worden gebruikt om de output pin in de monostabiele of bistabiele staat te zetten als reactie op de capacitieve detectie van de input pinout. Het wordt op de volgende manier weergegeven:

Modus # 1 (TYPE ingeschakeld bij Vss): de uitgang wordt sp lang actief gemaakt zolang de ingang onder externe capacitieve invloed wordt gehouden.

Modus # 2 (TYPE ingeschakeld bij VDD / NTRESD): In deze modus wordt de uitgang afwisselend AAN en UIT (hoog en laag) geschakeld als reactie op daaropvolgende capacitieve interactie over de sensorfolie.

Modus # 3 (CTYPE ingeschakeld tussen TYPE en VSS): met deze voorwaarde wordt de uitgangspen geactiveerd (laag) gedurende een vooraf bepaalde tijdsduur in reactie op elke capacitieve detectie-ingang, waarvan de duur evenredig is met de waarde van CTYPE en kan worden gevarieerd met een snelheid van 2,5 ms per nF capaciteit.

Een standaardwaarde voor CTYPE voor het omzeilen van een vertraging van 10 ms in modus # 3 zou 4,7 nF kunnen zijn, en de maximaal toegestane waarde voor CTYPE is 470 nF, wat kan resulteren in een vertraging van ongeveer een seconde. Elke abrupte capacitieve tussenkomst of invloeden tijdens deze periode wordt eenvoudigweg genegeerd.

Hoe het circuit te gebruiken

In de volgende secties leren we een typische circuitconfiguratie met dezelfde IC die kan worden toegepast in alle producten die precisie-afstandsbediening vereisen operaties gestimuleerd door nabijheid ​

De voorgestelde capacitieve naderingssensor kan op verschillende manieren worden gebruikt in veel verschillende toepassingen, zoals aangegeven in de volgende gegevens:

Een typische applicatieconfiguratie met behulp van de IC is hieronder te zien:

Configuratie van toepassingscircuits

De + ingangstoevoer is bij de VDD aangesloten. Een afvlakcondensator kan bij voorkeur worden aangesloten over en VDD en aarde en ook over VDDUNTREGD en aarde voor een betrouwbaardere werking van de chip.

De capaciteitswaarde van COLIN zoals geproduceerd op pin CLIN stelt de bemonsteringsfrequentie effectief vast. Door de bemonsteringssnelheid te verhogen, kan de reactietijd op de detectie-ingang worden verlengd met een evenredige toename van het stroomverbruik

Nabijheidssensorplaat

De capacitieve sensorplaat kan de vorm hebben van een miniatuur metaalfolie of plaat, afgeschermd en geïsoleerd met een niet-geleidende laag.

Dit detectiegebied zou ofwel over een langere afstand kunnen worden afgesloten via een coaxkabel CCABLE waarvan de andere uiteinden kunnen worden verbonden met de IN van de IC, of ​​de plaat kan eenvoudig rechtstreeks worden verbonden met de INpinout van de IC, afhankelijk van de toepassingsbehoeften.

Het IC is uitgerust met een intern laagdoorlaatfiltercircuit dat helpt om alle vormen van RF-interferenties te onderdrukken die via de IN-pin van het IC proberen in het IC te komen.

Bovendien, zoals aangegeven in het diagram, kan men ook een externe configuratie toevoegen met behulp van RF en CF om de RF-onderdrukking verder te verbeteren en de RF-immuniteit voor het circuit te versterken.

Om optimale prestaties van het circuit te bereiken, wordt aanbevolen dat de som van de capaciteitswaarden van CSENSE + CCABLE + Cp binnen een bepaald geschikt bereik ligt, een goed niveau kan rond de 30 pF zijn.

Dit helpt de regellus om op een betere manier te werken met de statische capaciteit ten opzichte van CSENSE voor het egaliseren van de nogal langzamere interacties op de capacitieve sensorplaat.

Bereik verhoogde capacitieve ingangen

Om een ​​hoger niveau van capacitieve ingangen te bereiken, kan het worden aanbevolen om een ​​aanvullende weerstand Rc op te nemen, zoals aangegeven in het diagram, die helpt om de ontladingstijd te regelen volgens de specificaties van de interne timingvereisten.

Het dwarsdoorsnedegebied van de bevestigde sensorplaat of een detectiefolie wordt recht evenredig met de gevoeligheid van het circuit, in combinatie met de waarde van de condensator Ccpc, kan het verminderen van de Ccpc-waarde de gevoeligheid van de sensorplaat aanzienlijk beïnvloeden. Om een ​​effectieve mate van gevoeligheid te bereiken, zou Ccpc dus optimaal en dienovereenkomstig kunnen worden verhoogd.

De pinout gemarkeerd met CPC wordt intern toegeschreven aan een hoge impedantie en kan daarom gevoelig zijn voor lekstromen.

Zorg ervoor dat Ccpc wordt gekozen met een hoge kwaliteit PPC of MKT-type condensator of X7R-type voor het verkrijgen van optimale prestaties van het ontwerp.

Werken bij lage temperaturen

Als het systeem bedoeld is om te worden gebruikt met een beperkte ingangscapaciteit van maximaal 35 pF en bij vriestemperaturen van -20 graden Celsius, kan het raadzaam zijn om de voedingsspanning naar de IC te verlagen tot ongeveer 2,8 V. Dit verlaagt op zijn beurt het werkbereik van de Vlicpc-spanning waarvan de specificatie tussen 0,6 V en VDD - 0,3 V ligt.

Bovendien zou het verlagen van het werkbereik van Vucpc kunnen resulteren in een verlaging van het ingangscapaciteitsbereik van de schakeling.

Het kan ook opvallen dat naarmate de Vucpc-waarde toeneemt met afnemende temperaturen, zoals aangetoond in de diagrammen, wat ons vertelt waarom het op de juiste manier verlagen van de voedingsspanning helpt bij het verlagen van de temperaturen.

Aanbevolen componentspecificaties

Tabel 6 en Tabel 7 geven het aanbevolen bereik van de componentenwaarden aan die geschikt kunnen worden gekozen volgens de gewenste toepassingsspecificaties met verwijzing naar de bovenstaande instructies.

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