Схема емкостного датчика на микросхеме K561TЛ1 (CD4093B)
Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами превентивного предупреждения, которые оповещают людей или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного гостя с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, например в [48], по мнению автора, интересны, но усложнены.
В противовес им разработана простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис. 2.2), собрать которую по силам даже начинающему радиолюбителю. Устройство имеет высокую чувствительность по входу, что позволяет использовать его для предупреждения о приближении человека к сенсору Е1.
Принцип действия устройства основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и «землей» (общим проводом: всем тем, что соотносится к заземляющему контуру, — в данном случае это пол и стеніі помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы K561TЛ1.
Рис. 2.2. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика
В основе конструкции — два элемента микросхемы K561TЛ1 (DD1), включенные как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмита с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу.
Применение микросхемы K561TЛ1 обусловлено малым потреблением тока, высокой помехозащищенностью (до 45 % от уровня напряжения питания), работой в широком диапазоне питающего напряжения (в диапазоне 3—15 В), защищенностью по входу от статического электричества и кратковременного превышения входных уровней, и многими другими достоинствами, которые позволяют широко использовать микросхему в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, микросхема K561TЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала пропорционально увеличивается.
Триггеры Шмита—бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех. При этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема K561TЛ (как, впрочем, и K561TЛ2) могут выделять управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств из аналогового или нечеткого входного импульса.
Зарубежный аналог К561ТЛ1 — CD4093B.
Схема включения инверторов — классическая, она описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки — в конструктивных нюансах. После включения питания на входе элемента DD1.1 присутствует неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 — высокий уровень, на выходе DD1.2 — опять низкий. Транзистор VT1 закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НАІ (с внутренним генератором ЗЧ) не активен.
К сенсору Е1 подключена антенна — подойдет автомобильная телескопическая.
При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. От этого переключаются элементы DD1.1, DD1.2 в противоположное состояние. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться (проходить) рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1,5 м. На выводе 4 микросхемы появляется высокий уровень напряжения, вследствие этого транзистор VT1 открывается и звучит капсюль НА1.
Подбором емкости конденсатора С1 можно изменить режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С1 до 82—120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только, пока на вход DD1.1 воздействует наводки переменного напряжения — прикосновение человека.
Электрическую схему (рис. 2.2) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного датчика. Для этого исключают постоянный резистор R1, экранированный провод, а сенсором являются контакты микросхемы 1 и 2.
Последовательно с R1 подключают экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов ЗЧ — подходят все типы) длиной 1—1,5 м, экран соединяется с общим проводом, центральная жила на конце соединяется со штырем антенны.
При соблюдении указанных рекомендаций и применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 1,5—1 м. Триггерный эффект отсутствует. Как только объект удаляется от антенны, датчик переходит в режим охраны (ожидания).
Эксперимент проводился также с животными— кошкой и собакой: на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует.
Возможности устройства трудно переоценить. В авторском варианте оно смонтировано рядом с дверной коробкой; входная дверь — металлическая.
Громкость сигнала ЗЧ, излучаемого капсюлем НА1, достаточна для того, чтобы услышать его на закрытой лоджии (она сопоставима с громкостью квартирного звонка).
Источник питания— стабилизированный, с напряжением 9—15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько микроампер) и увеличивается до 22—28 мА при активной работе излучателя НА1.
Бестрансформаторный источник применять нельзя из-за вероятности поражения электрическим током. Оксидный конденсатор С2 действует как дополнительный фильтр по питанию, его тип — К50-35 или аналогичный, на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.
При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Напряжение питания узла влияет на его работу: при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны используется только обыкновенный многожильный неэкранированный электрический медный провод сечением 1—2 мм длиной 1 м; никакого экрана и резистора R1 в таком случае не надо, электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект аналогичен. При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор (реагирует на прикосновение к Е1). Это актуально при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9—15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор (или сенсор-триггер).
Эти нюансы следует учитывать при повторении устройства. Однако в случае правильного подключения, описанного здесь, получается важная составляющая охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилищу, предупреждающей хозяев еще до возникновения нештатной ситуации.
Монтаж элементов осуществляется компактно на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства — любой из диэлектрического (непроводящего) материала. Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, подключенным параллельно источнику питания.
Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания, возможно потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах — от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивлением 5—10 МОм.
Рис. 2.3. Емкостной датчик
Неполярный конденсатор С1 — типа КМ6. Постоянный резистор R2— МЛТ-0,25. Резистор R1 — типа ВС-0,5, ВС-1. Транзистор VT1 необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит негромко. Транзистор VT1 можно заменить на КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.
Капсюль-излучатель НА1 может быть заменен на аналогичный с встроенным генератором ЗЧ и рабочим током не более 50 мА, например FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.
Благодаря применению капсюля с встроенным генератором узел проявляет интересный эффект: при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека, начиная с расстояния 1,5 м до Е1) — капсюль издает стабильный по характеру прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2. (Подобный эффект лег в основу первого электронного музыкального инструмента — «Терменвокса».
)
Для более полного представления о свойствах емкостного датчика автор рекомендует ознакомиться с материалом [53].
Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным гене-ратбром ЗЧ, например КРІ-4332-12, то при сравнительно большом удалении человека от сенсора-антенны звук будет напоминать сирену, а при максимальном приближении — прерывистый сигнал.
Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности (системы распознавания «свой/чужой»), так узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за хлебом» хозяина квартиры. Основа работы устройства — электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций; очевидно, прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций.
Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.
Емкостной сенсорный датчик, электрическая схема, печатная плата
Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора.
Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.
Вместо предлагаемого в этой статье самодельного емкостного сенсорного датчика в настоящее время целесообразно установить выключатель, сделанный на основе заводского модуля сенсорного датчика. Инструкция по его изготовлению и установке приведена в статье «Как сделать емкостной сенсорный включатель биде из готового модуля».
При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.
Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.
Электрические принципиальные схемы
Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.
При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы.
И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.
Схема емкостного сенсорного датчика
Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.
С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда.
Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.
Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.
Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние.
Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.
Схема сенсорного включателя
Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.
Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.
Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.
1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.
Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.
Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде.
Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.
Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков
Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.
Конструкция сенсорного датчика присутствия
По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.
Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.
Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.
Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.
Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас.
Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.
Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя
Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.
Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.
Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.
Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.
Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться.
При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.
Универсальная печатная плата
Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.
Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.
Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.
Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.
Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.
Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.
Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.
Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.
Рассмотрены 3 простые схемы емкостных датчиков приближения
В этом посте мы всесторонне обсудим 3 основные схемы датчиков приближения с множеством схем применения и подробными особенностями схемы.
Первые две схемы емкостных датчиков приближения используют простые концепции на основе IC 741 и IC 555, в то время как последняя является немного более точной и включает прецизионную конструкцию на основе IC PCF8883
. 1) Используя IC 741
. настроен на активацию реле или любой подходящей нагрузки, такой как водопроводный кран, как только человеческое тело или рука приближаются к пластине емкостного датчика. В определенных условиях близость руки достаточна только для срабатывания выхода схемы.
Вход с высоким импедансом обеспечивается Q1, который представляет собой обычный полевой транзистор, такой как 2N3819. Стандартный операционный усилитель 741 используется в виде чувствительного переключателя уровня напряжения, который впоследствии управляет буфером тока Q2, среднеточным биполярным транзистором pnp, тем самым активируя реле, которое может использоваться для переключения устройств, таких как сигнализация, кран и т. д.
Пока схема находится в состоянии ожидания бездействия, напряжение на выводе 3 операционного усилителя фиксируется выше уровня напряжения на выводе 2 путем соответствующей настройки предустановки VR1.
Это гарантирует, что напряжение на выходном контакте 6 будет высоким, в результате чего транзистор Q2 и реле останутся выключенными.
Когда палец подносится в непосредственной близости к сенсорной пластине или слегка прикасается к ней, уменьшение противоположного смещения VGS увеличит ток стока полевого транзистора Q1, а результирующее падение напряжения на резисторе R1 уменьшит напряжение на выводе 3 операционного усилителя ниже напряжения на контакте 2.
Это приведет к падению напряжения на контакте 6 и, следовательно, к включению реле с помощью Q2. Резистор R4 может быть определен для того, чтобы реле оставалось выключенным в нормальных условиях, учитывая, что крошечное положительное напряжение смещения может возникнуть на выходе 6 операционного усилителя, даже если напряжение на 3 контакте окажется ниже, чем напряжение на 2 контакте. состояние покоя (бездействия). Эту проблему можно решить, просто добавив светодиод последовательно с базой Q2.
2) Использование IC 555
В посте объясняется эффективная схема емкостного датчика приближения на основе IC 555, которую можно использовать для обнаружения злоумышленников вблизи дорогого объекта, например вашего автомобиля.
Идея была предложена мистером Максом Пейном.
Здравствуйте, Swagatam,
Пожалуйста, опубликуйте емкостную/корпусную/чувствительную схему, которую можно использовать на велосипеде. Такое устройство можно увидеть в системе безопасности автомобиля. Когда кто-то приближается к машине или простое приближение на 1 дюйм, срабатывает сигнализация на 5 секунд.
Как работает этот тип сигнализации, сигнализация срабатывает только тогда, когда кто-то подходит ближе (скажем, на 30 см). Какой тип датчика они используют?
Схема цепи
Изображение схемы предоставлено Elektor Electronics
КонструкцияСхема емкостного датчика может быть понята с помощью следующего описания: настоящий конденсатор. Здесь вводится емкостная пластина, которая занимает положение конденсатора, необходимое для нестабильной работы.
Следует отметить, что емкостная пластина большего размера обеспечивает лучший и надежный отклик схемы.
Поскольку схема предназначена для работы в качестве системы оповещения о приближении к корпусу транспортного средства, сам корпус можно использовать в качестве емкостной пластины, а большой объем вполне подойдет для данного приложения.
После того, как емкостная сенсорная пластина интегрирована, IC555 переходит в режим ожидания для нестабильных действий.
При обнаружении «земляного» элемента в непосредственной близости, которым может быть рука человека, необходимая емкость создается между выводами 2/6 и землей ИС.
Вышеприведенное приводит к мгновенному увеличению частоты, когда ИС начинает колебаться в нестабильном режиме.
Нестабильный сигнал получен на выводе 3 микросхемы, которая надлежащим образом «интегрируется» с помощью R3, R4, R5 вместе с C3—-C5.
«Интегрированный» результат подается на операционный усилитель, настроенный как компаратор.
Компаратор, сформированный вокруг IC2, реагирует на это изменение от IC1 и преобразует его в напряжение срабатывания, приводящее в действие T1 и соответствующее реле.
Реле может быть оснащено сиреной или звуковым сигналом для необходимой сигнализации.
Однако на практике видно, что IC1 формирует пиковый импульс напряжения с положительного на отрицательный в тот момент, когда рядом с пластиной обнаруживается емкостное заземление.
IC2 реагирует исключительно на это внезапное повышение пикового напряжения для требуемого срабатывания.
Если емкостное тело продолжает находиться в непосредственной близости от пластины, напряжение пиковой частоты на контакте 3 исчезает до уровня, который может быть не обнаружен IC2, делая его неактивным, то есть реле остается активным только в тот момент, когда емкостной элемент подносится или удаляется вблизи поверхности пластины.
P1, P2 можно отрегулировать для получения максимальной чувствительности от емкостной пластины
Для получения фиксирующего действия выход IC2 можно дополнительно интегрировать в схему триггера, что делает схему емкостного датчика приближения чрезвычайно точной и отзывчивой
3 ) Датчик приближения с сигналом тревоги
Следующая схема датчика приближения использует чрезвычайно высокий входной импеданс и высокую мощность полевого транзистора для создания простой, но очень чувствительной схемы датчика приближения и драйвера сигнализации.
Датчик состоит из металлического предмета размером 3×3 дюйма, соединенного с затвором Q1.
Резистор R2, номиналом 100 МОм, отделяет затвор Q1 от R1, позволяя его входному импедансу оставаться чрезвычайно высоким. Если вы не можете найти резистор на 100 МОм, вы можете просто соединить пять резисторов на 22 МОм последовательно и работать с этой цепочкой резисторов вместо R2.
Точнее говоря, значение R2 может быть создано даже выше, чем это для повышения чувствительности обнаружения приближения. Потенциометр R1 настроен на точку, когда пьезо-зуммер только начинает гудеть, а затем R1 может быть тщательно отрегулирован до точки, где зуммер просто перестает звучать.
Проверка с регулировкой резистора R1 может быть полезной при установке максимальной чувствительности для этой емкостной цепи приближения.
4) Использование одного полевого транзистора
Следующая схема изображает схему чувствительного к нагрузке датчика приближения, в которой в качестве активного устройства используется полевой транзистор BC170 N-типа.
Это чрезвычайно надежная и чувствительная схема датчика приближения, которая может использоваться в устройствах безопасности и промышленных приложениях.
В этой конструкции используется генератор Хартли с регулируемой регулировкой усиления обратной связи. Катушка индуктивности с ручной обмоткой заменяет RC-частотоопределяющие компоненты, использовавшиеся в нашем предшествующем устройстве. Частота генератора определяется индуктивностью L1, внутренней емкостью и нагрузочной емкостью сенсорной пластины.
R5 управляет усилением обратной связи, необходимым для достижения и поддержания колебаний. С5 направляет выходной сигнал генератора на схему выпрямителя, которая обеспечивает положительное смещение для включения транзистора Q2 и включения светодиода. Аккуратно отрегулируйте потенциометр, пока светодиод не начнет слегка светиться, при этом R5 настроен на максимальное значение сопротивления.
Максимальная чувствительность сенсора в этой точке.
В цепи должно быть достаточно любого индуктора с отводом от середины и значением индуктивности от 0,1 до 100 мГн.
Катушка нашей схемы состояла из 120 витков покрытого эмалью медного провода 28-го калибра, «свернутого в кучу» на 1-дюймовой трубе. Сделайте отвод на 60-м витке и продолжайте наматывать еще 60 витков.
Поскольку фактическое значение индуктивности не имеет значения, для формы подойдет любая катушка трубы сопоставимого размера; толщина используемой проволоки также может варьироваться.
5) Использование IC PCF8883
IC PCF8883 разработана для работы в качестве прецизионного емкостного бесконтактного переключателя с помощью уникальной (запатентованной EDISEN) цифровой технологии для определения мельчайшей разницы в емкости вокруг указанной чувствительной пластины.
Основные характеристики
Основные характеристики этого специализированного емкостного датчика приближения можно изучить, как указано ниже:
На следующем рисунке показана внутренняя конфигурация ИС PCF8883
ИС не полагается на традиционный режим измерения динамической емкости, а определяет изменение статической емкости с помощью автоматической коррекции посредством непрерывной автоматической калибровки.
Датчик в основном представляет собой небольшую проводящую фольгу, которая может быть непосредственно интегрирована с соответствующими выводами ИС для предполагаемого емкостного измерения или, возможно, подключена к большим расстояниям через коаксиальные кабели для обеспечения точных и эффективных удаленных операций емкостного датчика приближения.
На следующих рисунках показаны выводы микросхемы PCF8883. Подробное функционирование различных распиновок и встроенной схемы можно понять по следующим пунктам:
Распиновка Детали микросхемы PCF8883
Распиновка IN, которая должна быть связана с внешней емкостной сенсорной фольгой, связана с ICs внутренняя сеть RC.
Время разряда, заданное «tdch» сети RC, сравнивается со временем разряда второй встроенной сети RC, обозначенной как «tdchimo».
Две RC-цепи проходят периодическую зарядку с помощью VDD (INTREGD) через пару идентичных и синхронизированных коммутационных сетей, а затем разряжаются с помощью резистора на Vss или землю
Скорость, с которой выполняется заряд-разряд регулируется частотой дискретизации, обозначаемой «fs».
Если видно, что разность потенциалов падает ниже установленного внутри опорного напряжения VM, соответствующий выходной сигнал компаратора становится низким. Логический уровень, который следует за компараторами, идентифицирует точный компаратор, который фактически может переключаться раньше другого.
И если установлено, что верхний компаратор сработал первым, это приводит к тому, что импульс отображается на CUP, тогда как если обнаруживается, что нижний компаратор переключился раньше верхнего, то импульс включается в CDN.
Вышеупомянутые импульсы участвуют в управлении уровнем заряда внешнего конденсатора Ccpc, связанного с выводом CPC. Когда на CUP генерируется импульс, Ccpc заряжается через VDDUNTREGD в течение заданного периода времени, что вызывает повышение потенциала на Ccpc.
Точно так же, когда импульс рендерится на CDN, Ccpc соединяется с устройством стока тока с землей, которая разряжает конденсатор, вызывая коллапс его потенциала.
Всякий раз, когда емкость на выводе IN становится выше, это соответственно увеличивает время разряда tdch, что приводит к падению напряжения на соответствующем компараторе в течение соответственно более длительного времени.
Когда это происходит, выходной сигнал компаратора становится низким, что, в свою очередь, создает импульс на CDN, заставляя внешний конденсатор CCP разряжаться в меньшей степени.
Это означает, что CUP теперь генерирует большинство импульсов, что заставляет CCP заряжаться еще больше, не выполняя никаких дальнейших шагов.
Несмотря на это, функция автоматической калибровки ИС с управлением по напряжению, основанная на регулировании стокового тока «ism», связанном с выводом IN, пытается сбалансировать время разряда tdch, соотнося его с внутренним временем разряда tdcmef.
Напряжение на Ccpg регулируется по току и становится причиной разрядки емкости на IN довольно быстро всякий раз, когда обнаруживается увеличение потенциала на CCP. Это идеально уравновешивает возрастающую емкость на входном контакте IN.
Этот эффект приводит к возникновению системы слежения с замкнутым контуром, которая постоянно отслеживает и участвует в автоматическом выравнивании времени разряда tdch по отношению к tdchlmf.
Это помогает скорректировать вялые колебания емкости на выводах IN микросхемы. Во время быстрой зарядки, например, когда палец человека быстро приближается к сенсорной фольге, обсуждаемая компенсация может не произойти, в равновесных условиях продолжительность периода разряда не отличается, что приводит к попеременным колебаниям импульса на CUP и CDN.
Это также означает, что при больших значениях Ccpg можно ожидать относительно ограниченное изменение напряжения для каждого импульса для CUP или CDN.
Таким образом, внутренний сток тока приводит к более медленной компенсации, тем самым повышая чувствительность датчика. Наоборот, когда CCP уменьшается, чувствительность сенсора снижается.
Монитор встроенного датчика
Встроенный счетчик контролирует срабатывание датчика и, соответственно, подсчитывает импульсы на CUP или CDN, счетчик сбрасывается каждый раз, когда направление импульса между CUP и CDN меняется или изменяется.
Выходной контакт, представленный как OUT, активируется только при обнаружении достаточного количества импульсов через CUP или CDN .
Умеренные уровни помех или медленные взаимодействия между датчиком или входной емкостью не оказывают никакого влияния на запуск выхода.
Микросхема фиксирует несколько условий, таких как неодинаковая схема заряда/разряда, чтобы отображалось подтвержденное переключение выхода и устранялись ложные обнаружения.
Расширенный запуск
ИС включает в себя усовершенствованную схему запуска, которая позволяет микросхеме довольно быстро достигать равновесия, как только на нее подается питание.
Внутри вывод OUT сконфигурирован как открытый сток, который инициирует вывод с высокой логикой (Vdd) с максимальным током 20 мА для подключенной нагрузки. В случае, если на выход подается нагрузка более 30 мА, питание мгновенно отключается благодаря функции защиты от короткого замыкания, которая срабатывает мгновенно.
Эта схема выводов также совместима с КМОП и поэтому подходит для всех нагрузок или каскадов на основе КМОП.
Как упоминалось ранее, параметр частоты дискретизации «fs» соответствует 50% частоты, используемой в сети синхронизации RC.
Частота дискретизации может быть установлена в заранее определенном интервале путем соответствующей фиксации значения CCLIN.
Внутренне модулированная частота генератора на уровне 4% с помощью псевдослучайного сигнала подавляет любую возможность помех от окружающих частот переменного тока.
Режим выбора выходного состояния
Микросхема также имеет полезный «режим выбора выходного состояния», который можно использовать для перевода выходного вывода в моностабильное или бистабильное состояние в ответ на емкостное считывание входной цоколевки. Он отображается следующим образом:
Режим №1 (ТИП включен при Vss): Выход становится активным в течение sp до тех пор, пока вход удерживается под внешним емкостным воздействием.
Режим № 2 (ТИП активируется на VDD/NTRESD): В этом режиме выход попеременно включается и выключается (высокий и низкий) в ответ на последующее емкостное взаимодействие через фольгу датчика.
Режим № 3 (CTYPE включен между TYPE и VSS): при этом условии выходной контакт срабатывает (низкий) на некоторый предопределенный период времени в ответ на каждый емкостной сенсорный вход, продолжительность которого пропорциональна значению CTYPE и может изменяться со скоростью 2,5 мс на емкость нФ.
Стандартное значение для CTYPE для обхода задержки 10 мс в режиме № 3 может составлять 4,7 нФ, а максимально допустимое значение для CTYPE равно 470 нФ, что может привести к задержке около секунды. Любые резкие емкостные вмешательства или воздействия в этот период просто игнорируются.
Как использовать схему
В следующих разделах мы изучим типичную конфигурацию схемы с использованием одной и той же ИС, которая может применяться во всех продуктах, требующих точных операций, стимулируемых дистанционным приближением.
Предлагаемый емкостный датчик приближения может использоваться во многих различных приложениях, как указано в следующих данных:
Типичная конфигурация приложения с использованием ИС приведена ниже:
Конфигурация схемы приложения
ВДД. Сглаживающий конденсатор желательно подключить между и VDD и землей, а также между VDDUNTREGD и землей для более надежной работы микросхемы.
Значение емкости COLIN, полученное на выводе CLIN, эффективно фиксирует частоту дискретизации.
Увеличение частоты дискретизации может позволить увеличить время реакции на сенсорный вход с пропорциональным увеличением потребляемого тока
Пластина датчика приближения
Чувствительная емкостная сенсорная пластина может иметь форму миниатюрной металлической фольги или пластины, экранированной и изолированной непроводящим слоем.
Эта чувствительная зона может быть подключена на больших расстояниях коаксиальным кабелем CCABLE, другие концы которого могут быть соединены с IN IC, или пластина может быть просто напрямую подключена к INpinout IC в зависимости от потребностей приложения. .
Микросхема оснащена внутренней схемой фильтра нижних частот, которая помогает подавлять все виды радиопомех, которые могут попытаться проникнуть в микросхему через контакт IN микросхемы.
Кроме того, как показано на диаграмме, можно также добавить внешнюю конфигурацию с использованием RF и CF для дальнейшего улучшения подавления RF и повышения устойчивости цепи к RF.
Для достижения оптимальной производительности схемы рекомендуется, чтобы сумма значений емкости CSENSE + CCABLE + Cp находилась в заданном соответствующем диапазоне, хороший уровень может составлять около 30 пФ.
Это помогает контуру управления лучше работать со статической емкостью над CSENSE для выравнивания довольно медленных взаимодействий на чувствительной емкостной пластине.
Достижение повышенных емкостных входов
Для достижения повышенных уровней емкостных входов может быть рекомендовано включить дополнительный резистор Rc, как показано на схеме, который помогает контролировать время разряда в соответствии со спецификациями внутренних требований синхронизации.
Площадь поперечного сечения прикрепленной сенсорной пластины или сенсорной фольги становится прямо пропорциональной чувствительности схемы, в сочетании со значением конденсатора Ccpc уменьшение значения Ccpc может сильно повлиять на чувствительность сенсорной пластины. Следовательно, для достижения эффективного уровня чувствительности Ccpc можно было бы оптимально и соответствующим образом увеличить.
Распиновка с маркировкой CPC внутренне связана с высоким импедансом и, следовательно, может быть чувствительна к току утечки.
Убедитесь, что Ccpc выбран с высококачественным конденсатором PPC типа MKT или типа X7R для получения оптимальных характеристик конструкции.
Работа при низких температурах
В случае, если система предназначена для работы с ограниченной входной емкостью до 35 пФ и при отрицательных температурах -20°С, то может быть целесообразно снизить напряжение питания ИС примерно до 2,8 В. Это, в свою очередь, снижает рабочий диапазон напряжения Vlicpc, спецификация которого лежит в пределах от 0,6 В до VDD — 0,3 В.
Более того, уменьшение рабочего диапазона Vucpc может привести к пропорциональному уменьшению диапазона входной емкости схемы.
Кроме того, можно заметить, что значение Vucpc увеличивается с понижением температуры, как показано на диаграммах, что говорит нам о том, почему соответствующее снижение напряжения питания способствует снижению температуры.
Рекомендуемые характеристики компонентов
В таблицах 6 и 7 указан рекомендуемый диапазон значений компонентов, которые могут быть надлежащим образом выбраны в соответствии с желаемыми характеристиками применения со ссылкой на приведенные выше инструкции.
Ссылка: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8883.pdf
Как работают емкостные датчики — объяснение
В этой статье мы поговорим о емкостных датчиках приближения. Мы объясним, что такое емкостный датчик приближения и как он работает.
Мы также поговорим о некоторых типах материалов, которые могут обнаруживать эти датчики, объясним основные части этих датчиков, поговорим о некоторых типах емкостных датчиков приближения и приведем несколько примеров того, как эти датчики работают. используется с автоматикой.
Что такое емкостный датчик?
Емкостный датчик — это электронное устройство, которое может обнаруживать твердые или жидкие объекты без физического контакта.
Для обнаружения этих целей емкостные датчики излучают электрическое поле с чувствительного конца датчика. Любая цель, которая может нарушить это электрическое поле, может быть обнаружена емкостным датчиком.
Типы материалов, которые могут обнаруживать емкостные датчикиПримерами твердых материалов, которые может обнаруживать емкостной датчик, являются все типы металлов, все виды пластика, дерева, бумаги, стекла и ткани.
Емкостные датчики также могут обнаруживать такие жидкости, как вода, масло и краска.
Некоторые емкостные датчики могут использоваться для обнаружения материала внутри неметаллического контейнера. Используемые для этого емкостные датчики имеют регулируемый диапазон чувствительности. Чуть позже мы объясним, как настроить эти типы емкостных датчиков на примере.
Основные части емкостного датчика
Емкостные датчики состоят из четырех основных частей: корпуса датчика, чувствительной поверхности, светового индикатора и кабеля или конца кабеля.
Если датчик имеет регулируемый диапазон чувствительности, он также будет иметь регулировочный винт для регулировки диапазона чувствительности.
1) Корпус датчикаВнутри корпуса датчика находится схема, обеспечивающая работу датчика.
2) Чувствительная поверхностьЧувствительная поверхность — это часть датчика, которая используется для обнаружения целей.
3) Световой индикаторСветовой индикатор находится на другом конце датчика от чувствительной поверхности. Этот свет включается, когда цель находится в пределах диапазона обнаружения датчиков, и выключается, когда цель выходит за пределы диапазона обнаружения.
Диапазон обнаружения Диапазон обнаружения емкостного датчика — это максимальное расстояние, на котором цель может быть обнаружена от чувствительной поверхности датчика.
Примером нахождения в пределах диапазона чувствительности сенсоров может быть ситуация, когда цель находится на расстоянии шести миллиметров от чувствительной поверхности, а диапазон чувствительности сенсоров составляет двенадцать миллиметров.
Диапазон чувствительности датчиков можно найти в техническом паспорте датчика или посмотреть его на веб-сайте производителя.
4) Соединение датчикаЭти датчики можно приобрести с уже подключенным кабелем или они могут иметь разъем, в который кабель вкручивается.
В этом кабеле вы найдете четыре провода. Цвета этих проводов коричневый, синий, черный и белый.
1) Коричневый провод подключается к плюсу на двадцать четыре вольта постоянного тока.
2) Синий провод подключается к минусу на двадцать четыре вольта постоянного тока.
3) Черный и белый провода являются выходными проводами датчика. Черный провод — это нормально разомкнутый выходной провод датчика.
Датчик пошлет сигнал по черному проводу, когда обнаружит цель. Датчик перестает посылать этот сигнал, когда не обнаруживает цель.
4) Белый провод — это нормально замкнутый выходной провод датчика. Датчик пошлет сигнал на белый провод, если не обнаружит цель. Датчик перестает посылать этот сигнал, когда цель обнаружена.
Выходы емкостного датчикаВыходы емкостного датчика могут быть положительным сигналом (или PNP) или отрицательным сигналом (или NPN). В зависимости от того, как будут подключены выходы датчиков, будет определено, какой тип выходов датчиков необходим.
Регулируемый диапазон чувствительностиЕсли емкостный датчик имеет регулируемый диапазон чувствительности, он будет иметь регулировочный винт. Поворот винта по часовой стрелке увеличивает чувствительность датчика, а поворот винта против часовой стрелки уменьшает чувствительность датчика.
Монтаж емкостного датчика
Монтаж емкостного датчика может быть простым, в основном это зависит от того, как датчик будет использоваться и где он будет расположен.
Некоторые типы емкостных датчиков можно установить, просто прикрутив их на место. Емкостные датчики других типов можно установить, просверлив и нарезав отверстие того же размера, что и датчик, и иногда лучшим решением является использование кронштейна для установки датчика.
Как настроить емкостный датчик
Теперь мы объясним, как настроить емкостной датчик для обнаружения воды в неметаллическом контейнере. В этом примере мы будем использовать пластиковый стакан для питья в качестве контейнера и емкостный датчик с регулируемым диапазоном чувствительности, который установлен на стойке для обнаружения воды.
Обратите внимание, когда мы ставим пустой стакан рядом с датчиком, загорается индикатор датчика. Это означает, что чувствительность датчика установлена на высокий уровень и ее необходимо отрегулировать.
Чтобы отрегулировать чувствительность датчика, поверните винт регулировки чувствительности против часовой стрелки, пока индикатор не погаснет.
Теперь наполним стакан водой до датчика. Обратите внимание, загорается индикатор.
Если мы удалим часть воды до уровня ниже датчика, индикатор погаснет. Это означает, что емкостной датчик отрегулирован правильно.
Применение емкостных датчиков
Емкостные датчики можно использовать по-разному. Их можно использовать для обнаружения деталей на рабочих станциях, конвейерах и роботах.
Их также можно использовать для подсчета и проверки уровня жидкости.
Когда эти датчики используются для обнаружения деталей, датчик просто посылает сигнал на рабочую станцию, конвейер или робота, чтобы они знали, когда деталь находится там.
Емкостной датчик можно установить на конвейер, чтобы запустить счетчик, чтобы он мог подсчитывать, сколько деталей было построено.
Емкостные датчики также можно использовать для проверки высокого или низкого уровня жидкости в баке и для срабатывания сигнализации для каждого из них.
Резюме Итак, прочитав эту статью, вы узнали о емкостных датчиках.