3 enkle kapasitive nærhetssensorkretser utforsket

I dette innlegget diskuterer vi omfattende 3 grunnleggende nærhetssensorkretser med mange applikasjonskretser og detaljerte funksjoner i kretsen. De to første kapasitive nærhetssensorkretsene bruker enkle IC 741- og IC 555-baserte konsepter, mens den siste er litt mer nøyaktig og inneholder en presis IC PCF8883-basert design

1) Bruke IC 741

Kretsen som er forklart nedenfor, kan konfigureres til å aktivere et relé eller en hvilken som helst passende belastning som f.eks vannkran , så snart menneskekroppen eller hånden kommer i nærheten av den kapasitive sensorplaten. Med spesifikke forhold er nærhet til hånden bare nok til å utløse kretsutgangen.

En høyimpedansinngang er gitt av Q1, som er en vanlig felteffekttransistor som 2N3819. En standard 741 op amp brukes i form av en følsom spenningsnivåbryter som deretter driver strømbufferen Q2, en middelsstrøm pnp bipolar transistor, og aktiverer dermed reléet som kan være vant til å bytte en enhet, som alarmer, kran osv. .

Mens kretsen er i standby-standbytilstand, blir spenningen ved pin 3 på op-amperen festet til større enn pin 2-spenningsnivået ved å justere forhåndsinnstilt VR1 på riktig måte.

Dette sørger for at spenningen ved utgangsstiftet 6 vil være høy og forårsaker at transistoren Q2 og reléet forblir slått av.

Når fingeren kommer i nærheten av sensorplaten eller lett berører, vil en senkende motsatt forspenning VGS øke dreneringsstrømmen til FET Q1, og det resulterende fallet over R1-spenningen vil redusere spenningen på forsterkertappen 3 under spenningen som eksisterer ved pinne 2.

Dette vil føre til at pin 6-spenningen faller og følgelig slå på reléet ved hjelp av Q2. Motstanden R4 kan bestemmes slik at reléet holdes slått AV under normale forhold, med tanke på at en liten positiv avstilt spenning kan utvikle seg ved op-amp pin 6-utgangen selv om pin 3-spenningen tilfeldigvis er lavere enn pin 2-spenningen i den hvilende (inaktive) tilstanden. Dette problemet kan løses ved å legge til en LED i serie med Q2-basen.

2) Bruke IC 555

Innlegget forklarer en effektiv IC 555-basert kapasitiv nærhetssensorkrets som kan brukes til å oppdage inntrengere i nærheten av et priset objekt som kjøretøyet ditt. Ideen ble bedt om av Max Payne.

Kretsforespørselen

Hei Swagatam,

Vennligst legg ut en kapasitiv / kropp / følsom krets kan brukes på sykkel. En slik enhet sett på bilsikkerhetssystem, når noen kommer nærmere bilen eller en enkel 1 i kants nærhet vil utløse alarmen i 5 sekunder.

Hvordan denne typen alarm fungerer, utløser alarmen bare når noen kommer nærmere (si 30 cm) hvilken type sensor de bruker?

Kretsdiagram

Kretsbilde med tillatelse: Elektor Electronics

Designet

Den kapasitive sensorkretsen kan forstås ved hjelp av følgende beskrivelse:

IC1 er i utgangspunktet kablet som en astable, men uten å ha en ekte kondensator. Her innføres en kapasitiv plate som tar kondensatorens posisjon som kreves for den stabile operasjonen.

Det må bemerkes at større kapasitiv plate vil gi bedre og mye pålitelig respons fra kretsen.

Siden kretsen er ment å fungere som et sikkerhetssystem for nærhet til kjøretøyets kropp, kan selve karosseriet brukes som den kapasitive platen, og den vil være stor i volum, og vil passe applikasjonen ganske bra.

Når den kapasitive nærhetssensorplaten er integrert, kommer IC555 i standby-posisjon for de astable handlingene.

Ved å oppdage et 'bakken' -element i nærheten, som kan være et menneskes hånd, utvikles den nødvendige kapasitansen over pin2 / 6 og bakken til IC.

Ovennevnte resulterer i en øyeblikkelig utvikling av frekvens når IC begynner å svinge i sin astable modus.

Det forbløffende signalet blir anskaffet ved pin3 på ICen som er passende 'integrert' ved hjelp av R3, R4, R5 sammen med C3 ---- C5.

Det 'integrerte' resultatet blir matet til et opamp-scene som er rigget som en komparator.

Komparatoren dannet rundt IC2 reagerer på denne endringen fra IC1 og oversetter den til en utløsende spenning, som driver T1 og det tilsvarende reléet.

Reléet kan kobles til en sirene eller et horn for den nødvendige alarmeringen.

Imidlertid er det praktisk sett at IC1 produserer en topp positiv til negativ spenningspuls i det øyeblikket når det blir oppdaget en kaapitiv jord nær platen.

IC2 reagerer bare på denne plutselige økningen i toppspenningen for den nødvendige utløseren.

Hvis det kapasitive legemet fortsetter å være i nærheten av platen, forsvinner toppfrekvensspenningen ved pin3 til et nivå som kan være uoppdagelig av IC2, noe som gjør den inaktiv, noe som betyr at reléet forblir aktivt bare i det øyeblikket det kapasitive elementet bringes eller fjernes nær plateoverflaten.

P1, P2 kan justeres for å oppnå maksimal følsomhet fra den kapasitive platen
For å oppnå en låsing, kan utgangen fra IC2 integreres ytterligere i en flip-flop-krets, noe som gjør den kapasitive nærhetssensorkretsen ekstremt nøyaktig og responsiv

3) Bruke IC PCF8883

IC PCF8883 er designet for å fungere som en presisjonskapasitiv nærhetssensorbryter gjennom en unik (EDISEN patentert) digital teknologi for å registrere den minste forskjellen i kapasitansen rundt den spesifiserte sensorplaten.

Hovedtrekkene

Hovedtrekkene til denne spesialiserte kapasitive nærhetssensoren kan være studier som gitt nedenfor:

Følgende bilde viser den interne konfigurasjonen til IC PCF8883

IC stole ikke på det tradisjonelle dynamisk kapasitansmodus for sensing oppdager heller variasjonen i den statiske kapasitansen ved å benytte automatisk korreksjon gjennom kontinuerlig automatisk kalibrering.

Sensoren er i utgangspunktet i form av en liten ledende folie som kan integreres direkte med de aktuelle pinouts av IC for den tiltenkte kapasitive sensingen eller kanskje avsluttes til lengre avstander gjennom koaksialkabler for å muliggjøre nøyaktige og effektive eksterne kapasitive sensing sensing operasjoner

Følgende figurer representerer detaljene for IC PCF8883. Den detaljerte funksjonen til de forskjellige pinouts og de innebygde kretsene kan forstås med følgende punkter:

Pinout-detaljer om IC PCF8883

Pinout IN som skal være koblet til den eksterne kapasitive sensorfølgen er koblet til ICs interne RC-nettverk.

Utladningstiden gitt av 'tdch' av RC-nettverket sammenlignes med utladningstiden for det andre in-bult RC-nettverket betegnet som 'tdchimo'.

De to RC-nettverkene går gjennom periodisk lading av VDD (INTREGD) gjennom et par identiske og synkroniserte bryterenettverk, og deretter utladet ved hjelp av en motstand til Vss eller bakken.

Hastigheten med hvilken denne ladningsutladningen utføres reguleres av en samplingsfrekvens betegnet med 'fs'.

I tilfelle hvis potensialforskjellen ser ut til å synke under den internt innstilte referansespenningen VM, har den tilsvarende utgangen fra komparatoren en tendens til å bli lav. Det logiske nivået som følger komparatorene, identifiserer den eksakte komparatoren som faktisk kan bytte før den andre.

Og hvis den øvre komparatoren er identifisert til å ha avfyrt først, resulterer dette i at en puls blir gjengitt på CUP, mens hvis den nedre komparatoren oppdages å ha byttet før den øvre, blir pulsen aktivert ved CDN.

Ovennevnte pulser engasjerer seg i å kontrollere ladningsnivået over den eksterne kondensatoren Ccpc assosiert med pin CPC. Når en puls genereres på CUP, blir Ccpc ladet gjennom VDDUNTREGD i en gitt tidsperiode som utløser et stigende potensial på Ccpc.

Ganske på de samme linjene, når en puls blir gjengitt ved CDN, blir Ccpc koblet til strømvaskenheten til jord som tømmer kondensatoren og forårsaker potensialet til å kollapse.

Når kapasitansen ved stift IN blir høyere, øker den tilsvarende utladningstiden tdch, noe som får spenningen over den aktuelle komparatoren til å falle på en tilsvarende lengre tid. Når dette skjer, har utgangen fra komparatoren en tendens til å bli lav, noe som igjen gir en puls ved CDN som tvinger den eksterne kondensatoren CCP til å tømmes i noe mindre grad.

Dette innebærer at CUP nå genererer flertallet av pulser som får CCP til å lade opp enda mer uten å gå gjennom ytterligere trinn.

Til tross for dette, gjør den automatiske spenningsstyrte kalibreringsfunksjonen til IC som er avhengig av en vaskestrømregulering 'ism' assosiert med pin IN, et forsøk på å balansere utladningstiden tdch ved å henvise den med en internt innstilt utladningstid tdcmef.

Spenningen over Ccpg er strømstyrt og blir ansvarlig for utladningen av kapasitansen på IN ganske raskt når potensialet over CCP oppdages å øke. Dette balanserer perfekt den økende kapasitansen på inngangspinnen IN.

Denne effekten gir opphav til et lukket sløyfesporingssystem som kontinuerlig overvåker og engasjerer seg i en automatisk utjevning av utladningstiden tdch med referanse til tdchlmf.

Dette hjelper til med å korrigere svake variasjoner i kapasitans over IN pinout av IC. Under hurtigladning av sates, for eksempel når en menneskelig finger nærmer seg sensingfolien raskt, kan det hende at den omtalte kompensasjonen ikke kommer til å skje, i likevektsforhold vil ikke lengden på utladningsperioden variere, noe som får pulsen til å svinge vekselvis over CUP og CDN.

Dette antyder videre at med større Ccpg-verdier kan det forventes en relativt begrenset spenningsvariasjon for hver puls for CUP eller CDN.

Derfor gir den interne strømvasken en lavere kompensasjon, og forbedrer følsomheten til sensoren. Tvert imot, når KKP opplever en nedgang, får sensorfølsomheten til å gå ned.

Innebygd sensormonitor

Et innebygd tellerstadium overvåker sensortriggerne og teller tilsvarende pulser over CUP eller CDN, telleren blir tilbakestilt hver gang pulsretningen over CUP til CDN veksler eller endres.

Utgangsstiften representert som OUT gjennomgår bare en aktivering når det oppdages tilstrekkelig antall pulser over CUP eller CDN. Moderat interferensnivå eller langsomme interaksjoner over sensoren eller inngangskapasitansen gir ingen effekt på utløserutløseren.

Brikken noterer seg flere forhold som ulik ladnings- / utladningsmønster, slik at en bekreftet utgangsbryter blir gjengitt og falsk deteksjon blir eliminert.

Avansert oppstart

IC inkluderer en avansert oppstartkrets som gjør at brikken kan oppnå likevekt ganske raskt så snart forsyningen til den er slått PÅ.

Internt er pin OUT konfigurert som et åpent avløp som initierer pinout med en høy logikk (Vdd) med maksimalt 20mA strøm for en tilkoblet belastning. I tilfelle utgangen utsettes for belastninger over 30mA, kobles strømmen fra på grunn av kortslutningsbeskyttelsesfunksjonen som umiddelbart utløses.
Denne pinout er også CMOS-kompatibel og blir derfor passende for alle CMOS-baserte belastninger eller kretstrinn.

Som nevnt tidligere, relaterer samplingsfrekvensparameteren 'fs' seg til 50% av frekvensen som brukes med RC-tidsnettverket. Samplingsfrekvensen kan settes over et forutbestemt spenn ved å fikse verdien av CCLIN på riktig måte.

En internt modulert oscillatorfrekvens på 4% gjennom et pseudo-tilfeldig signal hemmer enhver sjanse for forstyrrelser fra omkringliggende AC-frekvenser.

Output State Selector Mode

IC har også en nyttig 'modus for valg av utgangstilstand' som kan brukes til å aktivere utgangsstiften til enten i monostabil eller bistabil tilstand som svar på den kapasitive følelsen av inngangspinnen. Det gjengis på følgende måte:

Modus nr. 1 (TYPE aktivert ved Vss): Utgangen blir gjort aktiv så lenge inngangen holdes under ekstern kapasitiv påvirkning.

Mode # 2 (TYPE aktivert på VDD / NTRESD): I denne modusen blir utgangen vekselvis slått PÅ og AV (høy og lav) som svar på påfølgende kapasitiv interaksjon over sensorfolien.

Mode # 3 (CTYPE aktivert mellom TYPE og VSS): Med denne tilstanden utløses pin (lav) i noen forhåndsbestemt tid som svar på hver kapasitive sensingang, hvis varighet er proporsjonal med verdien av CTYPE og kan varieres med en hastighet på 2,5 ms per nF kapasitans.

En standardverdi for CTYPE for å komme rundt en 10ms forsinkelse i modus # 3 kan være 4,7nF, og den maksimalt tillatte verdien for CTYPE er 470nF, noe som kan resultere i en forsinkelse på omtrent et sekund. Eventuelle brå kapasitive inngrep eller påvirkninger i denne perioden blir rett og slett ignorert.

Hvordan bruke kretsen

I de følgende avsnittene lærer vi en typisk kretskonfigurasjon med samme IC som kan brukes i alle produkter som krever presisjonsfjernkontroll nærhetsstimulerte operasjoner .

Den foreslåtte kapasitive nærhetssensoren kan brukes mangfoldig i mange forskjellige applikasjoner som angitt i følgende data:

En typisk applikasjonskonfigurasjon ved bruk av IC kan sees på nedenfor:

Konfigurasjon av applikasjonskrets

+ Inngangsforsyningen er koblet til VDD. En utjevnende kondensator kan fortrinnsvis være koblet over og VDD og jord og også over VDDUNTREGD og jord for mer pålitelig bearbeiding av brikken.

Kapasitansverdien til COLIN som produsert på pin CLIN fikserer samplingsfrekvensen effektivt. Økende samplingsfrekvens kan muliggjøre forbedret reaksjonstid på sensingangene med en proporsjonal økning i strømforbruket

Nærhetssensorplate

Den avfølende kapasitive avfølingsplaten kan være i form av en miniatyr metallfolie eller plate skjermet og isolert med et ikke-ledende lag.

Dette føleområdet kan enten avsluttes over lengre avstander via en koaksialkabel CCABLE hvis andre ender kan være koblet til IN av IC, eller platen kan rett og slett være direkte koblet til INpinout av IC, avhengig av applikasjonsbehovet.

IC er utstyrt med et internt lavpassfilterkretsløp som hjelper til med å undertrykke alle former for RF-forstyrrelser som kan prøve å komme seg inn på IC gjennom IN-pinnen på IC.

I tillegg, som angitt i diagrammet, kan man også legge til en ekstern konfigurasjon ved bruk av RF og CF for ytterligere å forsterke RF-undertrykkelse og forsterke RF-immunitet for kretsen.

For å oppnå optimal ytelse fra kretsen, anbefales det at summen av kapasitansverdiene til CSENSE + CCABLE + Cp skal være innenfor et gitt passende område, et godt nivå kan være rundt 30pF.

Dette hjelper kontrollsløyfen til å fungere på en bedre måte med den statiske kapasitansen over CSENSE for å utjevne de ganske langsommere interaksjonene på den avfølende kapasitive platen.

Oppnå økt kapasitiv inngang

For å oppnå økte nivåer av kapasitive innganger kan det anbefales å inkludere en tilleggsmotstand Rc som angitt i diagrammet som hjelper til å kontrollere utladningstiden i henhold til spesifikasjonene for intern timingkrav.

Tverrsnittsarealet til den påmonterte følerplaten eller en sensorfolie blir direkte proporsjonal med følsomheten til kretsen, i forbindelse med verdien av kondensatoren Ccpc, kan reduserende Ccpc-verdi i stor grad påvirke følsomheten til sensorplaten. Derfor for å oppnå en effektiv mengde følsomhet, kunne Ccpc økes optimalt og tilsvarende.

Pinout-merket CPC tilskrives internt med høy impedans og kan derfor være utsatt for lekkasjestrømmer.

Forsikre deg om at Ccpc er valgt med en høykvalitets PPC av MKT-type kondensator eller X7R-type for å oppnå optimal ytelse fra designet.

Drift ved lave temperaturer

I tilfelle systemet er ment å brukes med en begrenset inngangskapasitans på opptil 35pF og ved frysende temperaturer -20 grader C, kan det være tilrådelig å redusere forsyningsspenningen til IC til rundt 2,8V. Dette bringer igjen driftsområdet for Vlicpc-spenning hvis spesifikasjon ligger mellom 0,6V til VDD - 0,3V.

Videre kan senking av driftsområdet til Vucpc resultere i å senke inngangskapasitansområdet til kretsen proporsjonalt.

Man kan også legge merke til at når Vucpc-verdien øker med synkende temperaturer som vist i diagrammene, som forteller oss hvorfor riktig senking av forsyningsspenningen hjelper til med å redusere temperaturene.

Anbefalte spesifikasjoner for komponenter

Tabell 6 og Tabell 7 indikerer det anbefalte området for komponentverdiene som kan velges riktig i henhold til de ønskede applikasjonsspesifikasjonene med henvisning til instruksjonene ovenfor.

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