Byly prozkoumány 3 snadno kapacitní obvody snímače vzdálenosti

V tomto příspěvku komplexně diskutujeme 3 základní obvody snímače přiblížení s mnoha aplikačními obvody a podrobnými vlastnostmi obvodu. První dva obvody kapacitního snímače přiblížení používají jednoduché koncepty založené na IC 741 a IC 555, zatímco poslední je o něco přesnější a zahrnuje přesný design založený na IC PCF8883

1) Použití IC 741

Níže vysvětlený obvod lze nakonfigurovat tak, aby aktivoval relé nebo jakoukoli vhodnou zátěž, například a vodovodní kohoutek , jakmile se lidské tělo nebo ruka přiblíží ke kapacitní snímací desce. Za určitých podmínek je blízkost ruky dostatečná pouze ke spuštění výstupu obvodu.

Vstup vysoké impedance je dán Q1, což je běžný tranzistor s efektem pole jako 2N3819. Používá se standardní zesilovač 741 ve formě citlivého spínače úrovně napětí, který následně pohání proudovou vyrovnávací paměť Q2, bipolární tranzistor se středním proudem pnp, čímž aktivuje relé, které může být zvyklé na přepínání zařízení, jako jsou alarmy, faucet atd. .

Když je obvod v pohotovostním stavu nečinnosti, je napětí na kolíku 3 operačního zesilovače pevně nastaveno na vyšší úroveň než na kolíku 2 odpovídajícím nastavením přednastavené VR1.

Tím je zajištěno, že napětí na výstupním kolíku 6 bude vysoké, což způsobí, že tranzistor Q2 a relé zůstanou vypnutá.

Když je prst přiveden do těsné blízkosti desky senzoru nebo se lehce dotýká, snížení opačného předpětí VGS zvýší odtokový proud FET Q1 a výsledný pokles napětí R1 sníží napětí pinového zesilovače 3 pod napětí existující při kolík 2.

To bude mít za následek pokles napětí kolíku 6 a následné zapnutí relé pomocí Q2. Rezistor R4 může být určen, aby bylo relé za normálních podmínek udržováno vypnuté, s ohledem na to, že na výstupu pinu 6 op amp zesilovače se může vyvinout malé kladné nastavené napětí, i když je napětí pinu 3 nižší než napětí pinu 2 v klidový (nečinný) stav. Tento problém lze napravit jednoduše přidáním LED do série se základnou Q2.

2) Použití IC 555

Příspěvek vysvětluje efektivní obvod kapacitního snímače přiblížení založený na IC 555, který lze použít k detekci vetřelců v blízkosti cenově výhodného předmětu, jako je vaše vozidlo. Nápad požadoval pan Max Payne.

Žádost o okruh

Ahoj Swagatam,

Prosím pošlete Kapacitní / Tělo / Citlivý obvod lze použít na kole. Takové zařízení viditelné na bezpečnostním systému automobilu, Když se někdo přiblíží k autu nebo jednoduchá 1 v blízkosti ch, spustí alarm na 5 sekund.

Jak tento typ alarmu funguje, alarm se spustí, až když se někdo přiblíží (například 30 cm), jaký typ senzoru používá?

Kruhový diagram

Obrázek obvodu s laskavým svolením: Elektor Electronics

Design

Obvod kapacitního senzoru lze pochopit pomocí následujícího popisu:

IC1 je v zásadě zapojen jako astabilní, ale bez zabudování skutečného kondenzátoru. Zde je zavedena kapacitní deska a zaujímá polohu kondenzátoru potřebnou pro astabilní provoz.

Je třeba poznamenat, že větší kapacitní deska způsobí lepší a spolehlivější odezvu obvodu.

Vzhledem k tomu, že obvod má fungovat jako výstražný systém upozornění na blízkost karoserie vozidla, mohlo by být samotné tělo použito jako kapacitní deska a jeho objemově velký objem by aplikaci docela dobře vyhovoval.

Jakmile je integrována kapacitní deska snímače přiblížení, IC555 přejde do pohotovostní polohy pro astabilní akce.

Při detekci „zemního“ prvku v těsné blízkosti, kterým by mohla být ruka člověka, se na pin2 / 6 a zemi IC vyvíjí požadovaná kapacita.

Výše uvedené má za následek okamžitý vývoj frekvence, protože IC začíná kmitat ve svém astabilním režimu.

Astabilní signál je získáván na pin3 IC, který je vhodně „integrován“ pomocí R3, R4, R5 spolu s C3 ---- C5.

„Integrovaný“ výsledek je přiváděn do stupně operační zesilovače vybaveného jako komparátor.

Komparátor vytvořený kolem IC2 reaguje na tuto změnu z IC1 a převádí ji na spouštěcí napětí, pracuje T1 a odpovídající relé.

Relé může být pro požadovanou výstrahu propojeno sirénou nebo houkačkou.

Je však prakticky vidět, že IC1 produkuje špičkový kladný až záporný napěťový impuls v okamžiku, kdy je poblíž desky detekována kapapitivní zem.

IC2 pouze reaguje na tento náhlý nárůst špičkového napětí pro požadované spuštění.

Pokud je kapacitní těleso i nadále v těsné blízkosti desky, napětí špičkové frekvence na pin3 zmizí na úroveň aa, která může být nezjistitelná IC2, čímž se stane neaktivní, což znamená, že relé zůstane aktivní pouze v okamžiku, kdy je přiveden kapacitní prvek nebo odstraněny v blízkosti povrchu desky.

P1, P2 lze upravit pro získání maximální citlivosti z kapacitní desky
Pro získání aretační akce může být výstup IC2 dále integrován do klopného obvodu, což činí obvod kapacitního snímače přiblížení extrémně přesným a citlivým

3) Použití IC PCF8883

IC PCF8883 je navržen tak, aby fungoval jako přesný kapacitní spínač snímače přiblížení prostřednictvím jedinečné (patentované EDISEN) digitální technologie pro snímání nejmenších rozdílů v kapacitě kolem specifikované snímací desky.

Hlavní rysy

Hlavními rysy tohoto specializovaného kapacitního snímače přiblížení mohou být studie uvedené níže:

Následující obrázek ukazuje interní konfiguraci IC PCF8883

IC se nespoléhá na tradiční dynamický kapacitní režim snímání spíše detekuje kolísání statické kapacity pomocí automatické korekce prostřednictvím průběžné automatické kalibrace.

Senzor je v zásadě ve formě malé vodivé fólie, která může být přímo integrována do příslušných vývodů integrovaného obvodu pro zamýšlené kapacitní snímání nebo může být zakončena na delší vzdálenosti pomocí koaxiálních kabelů pro umožnění přesných a efektivních dálkových kapacitních operací snímání blízkosti

Následující obrázky představují podrobnosti o pinu IC PCF8883. Podrobné fungování různých vývodů a zabudovaných obvodů lze pochopit pomocí následujících bodů:

Podrobnosti o zapojení IC PCF8883

Pinout IN, který má být spojen s externí kapacitní snímací fólií, je propojen s interní RC sítí IC.

Doba vybíjení daná „tdch“ sítě RC se porovnává s dobou vybíjení druhé in -ult RC sítě označené jako „tdchimo“.

Obě RC sítě procházejí periodickým nabíjením pomocí VDD (INTREGD) prostřednictvím několika identických a synchronizovaných spínacích sítí a následně jsou vybíjeny pomocí rezistoru na Vss nebo na zem

Rychlost, s jakou je toto vybíjení prováděno, je regulována vzorkovací frekvencí označenou „fs“.

V případě, že je patrné, že potenciální rozdíl klesá pod interně nastaveným referenčním napětím VM, má příslušný výstup komparátoru tendenci být nízký. Logická úroveň, která následuje po komparátorech, identifikuje přesný komparátor, který by se ve skutečnosti mohl přepnout před druhým.

A pokud je identifikován horní komparátor, který vystřelil jako první, bude to mít za následek vykreslení pulzu na CUP, zatímco pokud je detekováno, že se spodní komparátor přepnul před horním, pak je puls povolen na CDN.

Výše uvedené impulsy se účastní řízení úrovně nabití přes externí kondenzátor Ccpc spojený s kolíkem CPC. Když je na CUP generován puls, Ccpc se nabíjí přes VDDUNTREGD po danou dobu, která spouští rostoucí potenciál na Ccpc.

Docela na stejných řádcích, když je impuls vykreslen na CDN, Ccpc se spojí s aktuálním jímacím zařízením na zem, což vybije kondenzátor a způsobí jeho potenciál zhroucení.

Kdykoli se kapacita na pinu IN zvýší, odpovídajícím způsobem se zvýší doba vybíjení tdch, což způsobí, že napětí v příslušném komparátoru poklesne o odpovídající delší dobu. Když k tomu dojde, výstup komparátoru má tendenci klesat, což zase způsobí pulz na CDN, což nutí externí kondenzátor CCP k vybití v menší míře.

To znamená, že CUP nyní generuje většinu pulzů, což způsobí, že se CCP nabije ještě více, aniž by prošel dalšími kroky.

Navzdory tomu se funkce automatické kalibrace IC řízená napětím, která se spoléhá na regulaci „ism“ potenciometrového proudu spojenou s kolíkem IN, snaží vyvážit dobu vybíjení tdch tím, že ji porovná s interně nastavenou dobou vybíjení tdcmef.

Napětí na Ccpg je řízeno proudem a stává se odpovědným za vybití kapacity na IN poměrně rychle, kdykoli je detekováno, že potenciál přes CCP roste. To dokonale vyvažuje zvyšující se kapacitu na vstupním pinu IN.

Tento účinek vede k uzavřenému sledovacímu systému, který kontinuálně sleduje a zapojuje se do automatického vyrovnání doby vybíjení tdch s odkazem na tdchlmf.

To pomáhá opravit pomalé odchylky kapacity napříč IN vývodem IC. Během rychlého nabíjení, například když se rychle přiblíží lidský prst k snímací fólii, nemusí probrat diskutovanou kompenzaci, v rovnovážných podmínkách se délka doby vybíjení neliší, což způsobí střídavé kolísání pulzu napříč CUP a CDN.

To dále znamená, že s většími hodnotami Ccpg lze u CUP nebo CDN očekávat relativně omezenou variaci napětí pro každý puls.

Proto interní pokles proudu vede k pomalejší kompenzaci, čímž se zvyšuje citlivost senzoru. Naopak, když dojde k poklesu CCP, způsobí to snížení citlivosti senzoru.

Vestavěný senzorový monitor

Vestavěný čítač monitoruje spouštění senzoru a odpovídajícím způsobem počítá impulzy přes CUP nebo CDN, čítač se resetuje pokaždé, když se směr pulzu přes CUP na CDN střídá nebo mění.

Výstupní pin reprezentovaný jako OUT prochází aktivací, pouze když je detekován odpovídající počet pulzů napříč CUP nebo CDN. Mírné úrovně rušení nebo pomalé interakce mezi senzorem nebo vstupní kapacitou nemají žádný vliv na spouštění výstupu.

Čip zaznamenává několik podmínek, jako jsou nerovnaké vzorce nabíjení / vybíjení, takže se vykreslí potvrzené přepínání výstupu a eliminuje se falešná detekce.

Pokročilé spuštění

Integrovaný obvod obsahuje pokročilé spouštěcí obvody, které umožňují čipu dosáhnout rovnováhy poměrně rychle, jakmile je zapnuto napájení.

Vnitřně je pin OUT konfigurován jako otevřený odtok, který iniciuje pinout s vysokou logikou (Vdd) s maximem proudu 20 mA pro připojenou zátěž. V případě, že je výstup vystaven zatížení přes 30 mA, je napájení okamžitě odpojeno z důvodu funkce ochrany proti zkratu, která je okamžitě spuštěna.
Tento vývod je také kompatibilní s CMOS, a proto se stává vhodným pro všechny zátěže založené na CMOS nebo stupně obvodu.

Jak již bylo zmíněno dříve, parametr vzorkovací frekvence „fs“ se vztahuje na 50% frekvence použité v RC časovací síti. Vzorkovací frekvenci lze nastavit v předem určeném rozpětí vhodným zafixováním hodnoty CCLIN.

Interně modulovaná frekvence oscilátoru na 4% prostřednictvím pseudonáhodného signálu inhibuje jakoukoli šanci na rušení z okolních střídavých frekvencí.

Režim výběru stavu výstupu

Integrovaný obvod také obsahuje užitečný „režim výběru stavu výstupu“, který lze použít k povolení výstupního kolíku buď v monostabilním nebo bistabilním stavu v reakci na kapacitní snímání vstupního pinoutu. Je vykreslen následujícím způsobem:

Režim č. 1 (TYPE enabled at Vss): Výstup je vykreslen jako aktivní po dobu, po kterou je vstup udržován pod vnějším kapacitním vlivem.

Režim č. 2 (TYP povolen u VDD / NTRESD): V tomto režimu je výstup střídavě zapínán a vypínán (vysoký a nízký) v reakci na následnou kapacitní interakci přes fólii snímače.

Režim č. 3 (CTYPE povolen mezi TYPE a VSS): Za této podmínky je výstupní pin spuštěn (nízký) po určitou předem stanovenou dobu v reakci na každý kapacitní snímací vstup, jehož trvání je úměrné hodnotě CTYPE a lze jej měnit s rychlostí 2,5 ms na kapacitu nF.

Standardní hodnota pro CTYPE pro získání zpoždění 10 ms v režimu # 3 může být 4,7 nF a maximální přípustná hodnota pro CTYPE je 470 nF, což může mít za následek zpoždění asi jednu sekundu. Jakékoli náhlé kapacitní zásahy nebo vlivy během tohoto období jsou jednoduše ignorovány.

Jak používat obvod

V následujících částech se naučíme typickou konfiguraci obvodu pomocí stejného IC, kterou lze použít ve všech produktech vyžadujících přesné dálkové ovládání operace stimulované blízkostí .

Navrhovaný kapacitní senzor přiblížení lze různě použít v mnoha různých aplikacích, jak je uvedeno v následujících datech:

Níže je uvedena typická konfigurace aplikace pomocí IC:

Konfigurace aplikačního obvodu

Napájecí zdroj + je připojen k VDD. Vyrovnávací kondenzátor může být výhodně připojen napříč a VDD a zemí a také napříč VDDUNTREGD a zemí pro spolehlivější práci čipu.

Kapacitní hodnota COLINu produkovaná na pin CLIN efektivně opravuje vzorkovací frekvenci. Zvýšení vzorkovací frekvence může umožnit zvýšení reakční doby na vstupu snímání s úměrným zvýšením aktuální spotřeby

Deska snímače přiblížení

Snímací kapacitní snímací deska může být ve formě miniaturní kovové fólie nebo desky stíněné a izolované nevodivou vrstvou.

Tato snímací oblast by mohla být buď zakončena na delší vzdálenosti pomocí koaxiálního kabelu CCABLE, jehož ostatní konce mohou být spojeny s IN IC, nebo deska může být jednoduše přímo spojena s INpinout IC v závislosti na potřebách aplikace.

Integrovaný obvod je vybaven vnitřním obvodem nízkoprůchodového filtru, který pomáhá potlačit všechny formy vysokofrekvenčních interferencí, které se mohou pokusit uvolnit cestu do integrovaného obvodu prostřednictvím kolíku IN integrovaného obvodu.

Navíc, jak je naznačeno v diagramu, lze také přidat externí konfiguraci pomocí RF a CF k dalšímu zvýšení potlačení RF a posílení RF odolnosti obvodu.

Aby se dosáhlo optimálního výkonu obvodu, doporučuje se, aby součet hodnot kapacity CSENSE + CCABLE + Cp byl v daném vhodném rozsahu, dobrá úroveň by mohla být kolem 30pF.

To pomáhá regulační smyčce lépe pracovat se statickou kapacitou přes CSENSE pro vyrovnání poměrně pomalejších interakcí na snímací kapacitní desce.

Dosáhněte zvýšeného kapacitního vstupu

Pro dosažení zvýšené úrovně kapacitních vstupů může být doporučeno zahrnout doplňkový rezistor Rc, jak je uvedeno v diagramu, který pomáhá řídit dobu vybíjení podle specifikací požadavků interního časování.

Plocha průřezu připojené snímací desky nebo snímací fólie se stává přímo úměrná citlivosti obvodu, ve spojení s hodnotou kondenzátoru Ccpc může snížení hodnoty Ccpc výrazně ovlivnit citlivost snímací desky. Proto pro dosažení účinného množství citlivosti lze Ccpc optimálně a odpovídajícím způsobem zvýšit.

Pinout označený CPC je vnitřně přičítán vysoké impedanci, a proto by mohl být citlivý na svodové proudy.

Ujistěte se, že Ccpc je vybrán s vysoce kvalitním PPC kondenzátoru typu MKT nebo typu X7R pro získání optimálního výkonu z návrhu.

Provoz při nízkých teplotách

V případě, že je systém určen k provozu s omezenou vstupní kapacitou až 35pF a při teplotách pod bodem mrazu -20 ° C, může být vhodné snížit napájecí napětí na IC na přibližně 2,8 V. To zase snižuje provozní rozsah napětí Vlicpc, jehož specifikace leží mezi 0,6 V až VDD - 0,3 V.

Kromě toho by snížení provozního rozsahu Vucpc mohlo mít za následek úměrné snížení rozsahu vstupní kapacity obvodu.

Také si můžeme všimnout, že jak se hodnota Vucpc zvyšuje s klesajícími teplotami, jak je znázorněno na obrázcích, což nám říká, proč vhodné snižování napájecího napětí pomáhá při snižování teplot.

Doporučené specifikace komponent

Tabulka 6 a Tabulka 7 uvádí doporučený rozsah hodnot komponent, které lze vhodně zvolit podle požadovaných specifikací aplikace s odkazem na výše uvedené pokyny.

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