3 circuite senzoriale de proximitate capacitive ușor explorate

În această postare discutăm în mod cuprinzător un circuit senzor de proximitate de bază cu 3 circuite de aplicații și caracteristici detaliate ale circuitului. Primele două circuite de senzori de proximitate capacitive utilizează concepte simple bazate pe IC 741 și IC 555, în timp ce ultimul este puțin mai precis și încorporează un design bazat pe IC PCF8883 de precizie

1) Utilizarea IC 741

Circuitul explicat mai jos ar putea fi configurat pentru a activa un releu sau orice sarcină adecvată, cum ar fi un robinet , imediat ce corpul uman sau mâna se apropie de placa senzorului capacitiv. În condiții specifice, proximitatea mâinii este suficientă doar pentru a declanșa ieșirea circuitului.

O intrare cu impedanță ridicată este dată de Q1, care este un tranzistor cu efect de câmp obișnuit ca 2N3819. Un amplificator standard 741 op este utilizat sub forma unui comutator de nivel de tensiune sensibil care acționează ulterior tamponul de curent Q2, un tranzistor bipolar pnp de curent mediu, activând astfel releul care poate fi obișnuit să comute un dispozitiv, cum ar fi alarme, robinet etc. .

În timp ce circuitul este în starea de așteptare inactivă, tensiunea la pinul 3 al amplificatorului operațional este fixată la un nivel mai mare decât tensiunea pinului 2 prin reglarea corespunzătoare a presetării VR1.

Acest lucru asigură faptul că tensiunea la pinul de ieșire 6 va fi ridicată, provocând tranzistorul Q2 și releul să rămână oprit.

Când degetul este adus în apropiere de placa senzorului sau ușor de atins, o scădere a polarizării opuse VGS va crește curentul de scurgere al FET Q1, iar scăderea rezultată a tensiunii R1 va reduce tensiunea pin pin 3 sub tensiunea existentă la pinul 2.

Acest lucru va duce la căderea tensiunii pinului 6 și, prin urmare, porniți releul prin intermediul Q2. Rezistorul R4 ar putea fi determinat pentru ca releul să fie oprit în condiții normale, având în vedere că se poate dezvolta o mică tensiune pozitivă setată la ieșirea pinului op 6 chiar dacă tensiunea pinului 3 este mai mică decât tensiunea pinului 2 în starea de repaus (inactiv). Această problemă ar putea fi remediată doar prin adăugarea unui LED în serie cu baza Q2.

2) Utilizarea IC 555

Postul explică un circuit eficient al senzorului de proximitate capacitiv bazat pe IC 555, care poate fi utilizat pentru detectarea intrușilor în apropierea unui obiect la preț, cum ar fi vehiculul dumneavoastră. Ideea a fost cerută de domnul Max Payne.

Cererea de circuit

Bună ziua Swagatam,

Vă rugăm să postați un circuit capacitiv / corp / senzitiv care poate fi aplicat pe bicicletă. Un astfel de dispozitiv văzut pe sistemul de securitate al mașinii, atunci când cineva se apropie de mașină sau un simplu 1 în apropierea canalului ar declanșa alarma timp de 5 secunde.

Cum funcționează acest tip de alarmă, alarma se declanșează numai atunci când cineva se apropie (să zicem 30cm) ce tip de senzor utilizează?

Diagrama circuitului

Circuit Image Courtesy: Elektor Electronics

Design-ul

Circuitul senzorului capacitiv poate fi înțeles cu ajutorul următoarei descrieri:

IC1 este, în principiu, conectat ca un dispozitiv inteligibil, dar fără a încorpora un condensator real. Aici este introdusă o placă capacitivă și ia poziția condensatorului necesară pentru funcționarea durabilă.

Trebuie remarcat faptul că placa capacitivă mai mare va produce un răspuns mai bun și mult mai fiabil din circuit.

Deoarece circuitul este destinat să funcționeze ca un sistem de securitate de alertă de proximitate a caroseriei vehiculului, corpul în sine ar putea fi folosit ca placă capacitivă, iar volumul său uriaș s-ar potrivi destul de bine aplicației.

Odată ce placa senzorului de proximitate capacitiv este integrat, IC555 intră într-o poziție de așteptare pentru acțiunile stabile.

La detectarea unui element „la sol” în imediata apropiere, care ar putea fi mâna unui om, capacitatea necesară este dezvoltată pe pinul 2/6 și la solul CI.

Cele de mai sus au ca rezultat o dezvoltare instantanee a frecvenței, pe măsură ce IC începe să oscileze în modul său astabil.

Semnalul astabil este achiziționat la pinul 3 al IC-ului, care este „integrat” corespunzător cu ajutorul R3, R4, R5 împreună cu C3 ---- C5.

Rezultatul „integrat” este alimentat către o etapă opamp amenajată ca un comparator.

Comparatorul format în jurul IC2 răspunde la această modificare de la IC1 și îl transformă într-o tensiune de declanșare, funcționând T1 și releul corespunzător.

Releul poate fi conectat cu o sirena sau un claxon pentru alarmele necesare.

Cu toate acestea, se vede practic că IC1 produce un impuls de tensiune de vârf pozitiv la negativ în momentul în care este detectată o masă caapcitivă lângă placă.

IC2 răspunde doar la această creștere bruscă a tensiunii de vârf pentru declanșarea necesară.

Dacă corpul capacitiv continuă să se afle în imediata apropiere a plăcii, tensiunea de frecvență de vârf la pin3 dispare la un nivel care poate fi nedetectabil de IC2, făcându-l inactiv, ceea ce înseamnă că releul rămâne activ doar în momentul în care elementul capacitiv este adus sau îndepărtat lângă suprafața plăcii.

P1, P2 pot fi ajustate pentru a obține sensibilitate maximă de pe placa capacitivă
Pentru a obține o acțiune de blocare, ieșirea IC2 poate fi integrată suplimentar într-un circuit flip flop, făcând circuitul senzorului de proximitate capacitiv extrem de precis și de receptiv

3) Utilizarea IC PCF8883

IC PCF8883 este proiectat să funcționeze ca un comutator senzitiv de proximitate capacitiv de precizie printr-o tehnologie digitală unică (brevetată EDISEN) pentru a detecta cea mai mică diferență de capacitate în jurul plăcii sale de detectare specificate.

Caracteristici principale

Principalele caracteristici ale acestui senzor de proximitate capacitiv specializat pot fi studiile prezentate mai jos:

Următoarea imagine prezintă configurația internă a IC PCF8883

IC nu se bazează pe tradițional modul de detectare a capacității dinamice detectează mai degrabă variația capacității statice utilizând corecția automată prin auto-calibrare continuă.

Senzorul este practic sub forma unei folii conductoare mici care poate fi integrată direct cu pinout-urile relevante ale CI pentru detectarea capacitivă intenționată sau poate fi terminată la distanțe mai mari prin cabluri coaxiale pentru a permite operații de detectare capacitivă de proximitate la distanță precise și eficiente

Următoarele figuri reprezintă detaliile de identificare ale IC PCF8883. Funcționarea detaliată a diferitelor pin-uri și a circuitelor încorporate poate fi înțeleasă cu următoarele puncte:

Detalii Pinout ale IC PCF8883

Pinout IN care se presupune a fi conectat cu folia de detectare capacitivă externă este legat de rețeaua RC internă a IC-urilor.

Timpul de descărcare dat de „tdch” al rețelei RC este comparat cu timpul de descărcare a celei de-a doua rețele RC in-bult denumite „tdchimo”.

Cele două rețele RC trec prin încărcare periodică de către VDD (INTREGD) printr-o pereche de rețele de comutare identice și sincronizate și apoi descărcate cu ajutorul unui rezistor la Vss sau la sol.

Rata la care se execută această descărcare de sarcină este reglementată de o rată de eșantionare notată cu „fs”.

În cazul în care se observă că diferența de potențial scade sub tensiunea de referință setată intern VM, ieșirea corespunzătoare a comparatorului tinde să devină scăzută. Nivelul logic care urmează comparatoarelor identifică comparatorul exact care ar putea trece de fapt înaintea celuilalt.

Și dacă comparatorul superior este identificat pentru a fi declanșat mai întâi, acest lucru rezultă cu un impuls care este redat pe CUP, în timp ce dacă comparatorul inferior este detectat că a comutat înainte de cel superior, atunci pulsul este activat la CDN.

Impulsurile de mai sus se angajează în controlul nivelului de încărcare peste condensatorul extern Ccpc asociat cu pinul CPC. Când se generează un impuls pe CUP, Ccpc este încărcat prin VDDUNTREGD pentru o anumită perioadă de timp care declanșează un potențial în creștere pe Ccpc.

Destul de pe aceleași linii, atunci când un impuls este redat la CDN, Ccpc este legat de dispozitivul de scufundare curent la sol, care descarcă condensatorul, provocând prăbușirea potențialului său.

Ori de câte ori capacitatea la pin IN crește, crește în mod corespunzător timpul de descărcare tdch, ceea ce face ca tensiunea din comparatorul relevant să scadă la un timp corespunzător mai lung. Când acest lucru are loc, ieșirea comparatorului tinde să scadă, ceea ce, la rândul său, redă un impuls la CDN forțând condensatorul extern CCP să se descarce într-un grad mai mic.

Acest lucru implică faptul că acum CUP generează majoritatea impulsurilor, ceea ce face ca CCP să se încarce și mai mult fără a trece prin alte etape.

În pofida acestui fapt, caracteristica de calibrare automată a tensiunii controlate de IC care se bazează pe o reglare a curentului chiuvetei „ism” asociată cu pinul IN face un efort de a echilibra timpul de descărcare tdch referindu-l cu un timp de descărcare setat intern tdcmef.

Tensiunea pe Ccpg este controlată curent și devine responsabilă pentru descărcarea capacității pe IN destul de rapid ori de câte ori se detectează că potențialul din CCP crește. Acest lucru echilibrează perfect capacitatea crescândă a pinului de intrare IN.

Acest efect dă naștere unui sistem de urmărire cu buclă închisă care monitorizează continuu și se angajează într-o egalizare automată a timpului de descărcare tdch cu referire la tdchlmf.

Acest lucru ajută la corectarea variațiilor lente ale capacității în pinout-ul IN al CI. În timpul perioadelor de încărcare rapidă, de exemplu, când un deget uman se apropie rapid de folia de detectare, compensarea discutată ar putea să nu transpare, în condiții de echilibru, durata perioadei de descărcare nu diferă, determinând pulsul să fluctueze alternativ între CUP și CDN.

Acest lucru implică în plus că, cu valori Ccpg mai mari, se poate aștepta o variație relativ limitată a tensiunii pentru fiecare impuls pentru CUP sau CDN.

Prin urmare, chiuveta internă de curent dă naștere la o compensare mai lentă, sporind astfel sensibilitatea senzorului. Dimpotrivă, atunci când CCP se confruntă cu o scădere, determină scăderea sensibilității senzorului.

Monitor senzor încorporat

Un contor încorporat monitorizează declanșatoarele senzorului și numără în mod corespunzător impulsurile de pe CUP sau CDN, contorul se resetează de fiecare dată când direcția impulsului de pe CUP în CDN alternează sau se modifică.

Pinul de ieșire reprezentat ca OUT suferă o activare numai atunci când este detectat un număr adecvat de impulsuri în CUP sau CDN. Nivelurile modeste de interferență sau interacțiuni lente între senzor sau capacitatea de intrare nu produc niciun efect asupra declanșării ieșirii.

Cipul notează mai multe condiții, cum ar fi modele de încărcare / descărcare inegale, astfel încât să fie redată o comutare confirmată a ieșirii și să fie eliminată detectarea falsă.

Start-up avansat

Circuitul integrat include un circuit avansat de pornire care permite cipului să ajungă la echilibru destul de repede de îndată ce alimentarea acestuia este pornită.

Intern pinul OUT este configurat ca un canal de scurgere deschis care inițiază pinout-ul cu o logică ridicată (Vdd) cu un curent maxim de 20mA pentru o sarcină atașată. În cazul în care ieșirea este supusă cu sarcini de peste 30mA, alimentarea este deconectată instantaneu datorită caracteristicii de protecție la scurtcircuit care este declanșată instantaneu.
Acest pinout este, de asemenea, compatibil CMOS și, prin urmare, devine adecvat pentru toate sarcinile bazate pe CMOS sau etapele circuitului.

După cum sa menționat mai devreme, parametrul ratei de eșantionare „fs” se raportează la 50% din frecvența utilizată cu rețeaua de sincronizare RC. Rata de eșantionare poate fi stabilită într-un interval predeterminat prin fixarea corespunzătoare a valorii CCLIN.

O frecvență a oscilatorului modulată intern la 4% printr-un semnal pseudo-aleator inhibă orice șansă de interferențe de la frecvențele AC înconjurătoare.

Modul de selectare a stării de ieșire

IC oferă, de asemenea, un „mod de selectare a stării de ieșire” utile, care poate fi utilizat pentru a permite pinului de ieșire să fie în stare monostabilă sau bistabilă ca răspuns la detectarea capacitivă a pinout-ului de intrare. Este redat în modul următor:

Modul # 1 (TIP activat la Vss): ieșirea este redată activă pentru sp cât timp intrarea este menținută sub influența capacitivă externă.

Modul # 2 (TIP activat la VDD / NTRESD): În acest mod, ieșirea este alternativ pornită și oprită (înaltă și joasă) ca răspuns la interacțiunea capacitivă ulterioară pe folia senzorului.

Mod # 3 (CTYPE activat între TYPE și VSS): Cu această condiție pinul de ieșire este declanșat (scăzut) pentru o anumită perioadă de timp predeterminată ca răspuns la fiecare intrare de detectare capacitivă, a cărei durată este proporțională cu valoarea CTYPE și poate fi variată cu o rată de 2,5 ms pe capacitate nF.

O valoare standard pentru CTYPE pentru a obține o întârziere de 10 ms în modul # 3 ar putea fi 4.7nF, iar valoarea maximă admisibilă pentru CTYPE este de 470nF, ceea ce poate avea ca rezultat o întârziere de aproximativ o secundă. Orice intervenții sau influențe capacitive bruște în această perioadă sunt pur și simplu ignorate.

Cum se folosește circuitul

În secțiunile următoare aflăm o configurație tipică a circuitului folosind același IC care poate fi aplicat la toate produsele care necesită telecomandă de precizie operațiuni stimulate de proximitate .

Senzorul de proximitate capacitiv propus poate fi utilizat în diferite aplicații, după cum se indică în următoarele date:

O configurație tipică a aplicației care utilizează IC poate fi asistată mai jos:

Configurarea circuitului aplicației

Sursa de intrare + este atașată cu VDD. Un condensator de netezire poate fi conectat de preferință la VDD și la masă și, de asemenea, la VDDUNTREGD și la masă pentru o funcționare mai fiabilă a cipului.

Valoarea capacității COLIN, produsă pe pinul CLIN, fixează efectiv rata de eșantionare. Creșterea ratei de eșantionare poate permite creșterea timpului de reacție la intrarea de detectare cu o creștere proporțională a consumului curent

Placă senzor de proximitate

Placa de detectare capacitivă de detectare ar putea fi sub forma unei folii sau plăci metalice miniaturale protejate și izolate cu un strat neconductiv.

Această zonă de detectare ar putea fi terminată pe distanțe mai mari printr-un cablu coaxial CCABLE ale cărui alte capete pot fi legate cu IN-ul IC-ului sau placa ar putea fi pur și simplu conectată direct cu INpinout-ul IC în funcție de necesitățile aplicației.

IC-ul este echipat cu un circuit intern de filtru trece-jos, care ajută la suprimarea tuturor formelor de interferențe RF care pot încerca să intre în IC prin pinul IN al IC-ului.

În plus, așa cum este indicat în diagramă, se poate adăuga, de asemenea, o configurație externă utilizând RF și CF pentru a îmbunătăți în continuare suprimarea RF și pentru a consolida imunitatea RF pentru circuit.

Pentru a obține o performanță optimă din circuit, se recomandă ca suma valorilor capacității CSENSE + CCABLE + Cp să se încadreze într-un interval adecvat dat, un nivel bun ar putea fi în jur de 30pF.

Acest lucru ajută bucla de control să funcționeze într-un mod mai bun cu capacitatea statică peste CSENSE pentru egalizarea interacțiunilor destul de mai lente de pe placa capacitivă de detectare.

Obțineți intrări capacitive crescute

Pentru a obține un nivel crescut de intrări capacitive, se poate recomanda includerea unui rezistor suplimentar Rc, așa cum este indicat în diagramă, care ajută la controlul timpului de descărcare conform specificațiilor cerințelor de sincronizare internă.

Zona secțiunii transversale a plăcii de detectare atașate sau a unei folii de detectare devine direct proporțională cu sensibilitatea circuitului, coroborată cu valoarea condensatorului Ccpc, reducerea valorii Ccpc poate afecta foarte mult sensibilitatea plăcii de detectare. Prin urmare, pentru a obține o cantitate eficientă de sensibilitate, Ccpc ar putea fi crescut în mod optim și în consecință.

Pinout marcat CPC este atribuit intern cu o impedanță ridicată și, prin urmare, ar putea fi susceptibil la curenți de scurgere.

Asigurați-vă că Ccpc este ales cu un PPC de înaltă calitate de tip MKT de condensator sau tip X7R pentru a obține performanțe optime din proiectare.

Funcționează la temperaturi scăzute

În cazul în care sistemul este destinat să funcționeze cu o capacitate de intrare limitată de până la 35pF și la temperaturi de îngheț -20 grade C, atunci poate fi recomandabil să reduceți tensiunea de alimentare la IC la aproximativ 2,8V. La rândul său, aceasta reduce nivelul de funcționare a tensiunii Vlicpc a cărei specificație se situează între 0,6V și VDD - 0,3V.

Mai mult, scăderea domeniului de funcționare al Vucpc ar putea duce la scăderea proporțională a capacității de intrare a circuitului.

De asemenea, se poate observa că, pe măsură ce valoarea Vucpc crește odată cu scăderea temperaturilor, așa cum se arată în diagrame, ceea ce ne spune de ce scăderea adecvată a tensiunii de alimentare ajută la scăderea temperaturilor.

Specificații componente recomandate

Tabelul 6 și Tabelul 7 indică gama recomandată a valorilor componentelor care pot fi alese în mod corespunzător conform specificațiilor dorite ale aplicației, cu referire la instrucțiunile de mai sus.

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