3 Kolay Kapasitif Yakınlık Sensörü Devresi Keşfedildi

Bu yazıda, birçok uygulama devresi ve devrenin ayrıntılı özellikleri ile 3 temel yakınlık sensörü devresini kapsamlı bir şekilde tartışıyoruz. İlk iki kapasitif yakınlık sensörü devresi basit bir IC 741 ve IC 555 tabanlı konseptler kullanırken, sonuncusu biraz daha doğrudur ve hassas bir IC PCF8883 tabanlı tasarım içerir.

1) IC 741'i kullanma

Aşağıda açıklanan devre, bir röleyi veya herhangi bir uygun yükü etkinleştirmek için yapılandırılabilir. su musluğu , insan vücudu veya eli kapasitif sensör plakasına yaklaşır yaklaşmaz. Belirli koşullarda el yakınlığı yalnızca devre çıkışını tetiklemek için yeterlidir.

Yüksek empedans girişi, 2N3819 gibi normal bir alan etkili transistör olan Q1 tarafından verilir. Standart bir 741 op amp, daha sonra akım tamponu Q2'yi, orta akımlı bir pnp bipolar transistörü çalıştıran, böylece alarmlar, musluklar gibi bir cihazı değiştirmeye alışkın olabilen röleyi etkinleştiren hassas bir voltaj seviye anahtarı şeklinde kullanılır. .

Devre boşta bekleme durumundayken, op amp'in pim 3'ündeki voltaj, önceden ayarlanmış VR1'i uygun şekilde ayarlayarak pim 2 voltaj seviyesinden daha büyük olarak sabitlenir.

Bu, çıkış pini 6'daki voltajın yüksek olmasını ve bu da transistör Q2'ye ve rölenin kapalı kalmasına neden olur.

Parmak, sensör plakasının yakınına getirildiğinde veya hafifçe dokunulduğunda, VGS'yi düşüren bir zıt önyargı, FET Q1'in boşaltma akımını artıracak ve R1 voltajı boyunca ortaya çıkan düşüş, op amp pin 3 voltajını, mevcut voltajın altına düşürecektir. pim 2.

Bu, pim 6 voltajının düşmesine ve dolayısıyla Q2 vasıtasıyla rölenin açılmasına neden olacaktır. Direnç R4, pin 3 voltajı pin 2 voltajından daha düşük olsa bile op amp pin 6 çıkışında minik bir pozitif off set voltajının gelişebileceği düşünülerek normal koşullar altında rölenin KAPALI tutulması için belirlenebilir. sakin (boşta) durum. Bu sorun basitçe Q2 tabanına seri olarak bir LED eklenerek çözülebilir.

2) IC 555'i kullanma

Gönderi, aracınız gibi fiyatlı bir nesnenin yakınındaki davetsiz misafirleri tespit etmek için kullanılabilecek etkili bir IC 555 tabanlı kapasitif yakınlık sensörü devresini açıklar. Fikir, Bay Max Payne tarafından istenmiştir.

Devre Talebi

Merhaba Swagatam,

Lütfen bir Kapasitif / Gövde / Hassas Devre Gönderin bisiklete uygulanabilir. Araba güvenlik sisteminde görülen bu tür bir cihaz, birisi arabaya yaklaştığında veya basit bir 1 in ch yaklaşımı 5 saniye boyunca alarmı tetikleyecektir.

Bu tür bir alarm nasıl çalışır, alarm yalnızca biri yaklaştığında (örneğin 30 cm) ne tür bir sensör kullandıklarında tetiklenir?

Devre şeması

Devre Görüntüsü İzniyle: Elektor Electronics

Dizayn

Kapasitif sensör devresi, aşağıdaki açıklama yardımı ile anlaşılabilir:

IC1 temelde kararsız olarak kablolanmıştır, ancak gerçek bir kapasitör içermez. Burada bir kapasitif plaka yerleştirilir ve kararsız çalışma için gerekli kapasitörün konumunu alır.

Daha büyük kapasitif plakanın devreden daha iyi ve çok daha güvenilir yanıt üreteceği unutulmamalıdır.

Devrenin bir araç gövdesi yakınlık uyarısı güvenlik sistemi olarak çalışması amaçlandığından, gövdenin kendisi kapasitif plaka olarak kullanılabilir ve hacimce büyük olması uygulamaya oldukça uygundur.

Kapasitif yakınlık sensörü plakası entegre edildiğinde, IC555, kararsız eylemler için bekleme konumuna gelir.

Bir insanın eli olabilecek yakın bir yerde bir 'toprak' elemanı tespit edildiğinde, gerekli kapasite IC'nin pin2 / 6 ve zemini boyunca geliştirilir.

Yukarıdaki, IC kararsız modunda salınmaya başladığında anlık bir frekans gelişimi ile sonuçlanır.

Kararsız sinyal, C3 ---- C5 ile birlikte R3, R4, R5 yardımı ile uygun şekilde 'entegre' olan IC'nin pin3'ünde elde edilir.

'Entegre' sonuç, karşılaştırıcı olarak donatılmış bir opamp aşamasına beslenir.

IC2 etrafında oluşturulan karşılaştırıcı, IC1'den gelen bu değişikliğe yanıt verir ve bunu bir tetikleme voltajına, T1'i ve karşılık gelen röleye çevirir.

Röle, gerekli alarm için siren veya korna ile bağlanabilir.

Bununla birlikte, pratik olarak IC1'in plakanın yakınında kapasitif bir zemin tespit edildiği anda bir tepe pozitif ila negatif voltaj darbesi ürettiği görülmektedir.

IC2, gerekli tetikleme için yalnızca tepe voltajındaki bu ani artışa yanıt verir.

Kapasitif gövde plakaya yakın olmaya devam ederse, pin3'teki tepe frekans voltajı, IC2 tarafından tespit edilemeyen bir seviyeye kaybolur, bu da onu devre dışı bırakır, yani röle yalnızca kapasitif eleman getirildiği anda aktif kalır. veya plaka yüzeyinin yakınında çıkarılır.

P1, P2, kapasitif plakadan maksimum hassasiyet elde etmek için ayarlanabilir
Bir mandallama eylemi elde etmek için, IC2'nin çıkışı ayrıca bir flip flop devresine entegre edilebilir ve bu da kapasitif yakınlık sensörü devresini son derece doğru ve duyarlı hale getirir.

3) IC PCF8883 Kullanımı

IC PCF8883, belirtilen algılama plakası etrafındaki kapasitanstaki en küçük farkı algılamak için benzersiz (EDISEN patentli) bir dijital teknoloji aracılığıyla hassas bir kapasitif yakınlık sensörü anahtarı gibi çalışmak üzere tasarlanmıştır.

Ana Özellikler

Bu özel kapasitif yakınlık sensörünün temel özellikleri, aşağıda verilen çalışmalar olabilir:

Aşağıdaki görüntü IC PCF8883'ün dahili yapılandırmasını göstermektedir

IC geleneksel olana güvenmiyor dinamik kapasitans algılama modu daha ziyade sürekli otomatik kalibrasyon yoluyla otomatik düzeltme kullanarak statik kapasitanstaki değişimi tespit eder.

Sensör temelde, amaçlanan kapasitif algılama için IC'nin ilgili pin çıkışlarına doğrudan entegre edilebilen veya belki de doğru ve etkili uzaktan kapasitif yakınlık algılama işlemlerini sağlamak için koaksiyel kablolar aracılığıyla daha uzun mesafelere sonlandırılabilen küçük bir iletken folyo biçimindedir.

Aşağıdaki şekiller IC PCF8883'ün pin çıkışı ayrıntılarını temsil etmektedir. Çeşitli pin çıkışlarının ve yerleşik devrelerin ayrıntılı işleyişi aşağıdaki noktalarla anlaşılabilir:

IC PCF8883'ün Pinout Ayrıntıları

Harici kapasitif algılama folyosuna bağlanması beklenen pin çıkışı IN, IC'lerin dahili RC ağına bağlıdır.

RC ağının 'tdch' tarafından verilen deşarj süresi, 'tdchimo' olarak belirtilen ikinci bult içi RC ağının deşarj süresi ile karşılaştırılır.

İki RC ağı, VDD (INTREGD) tarafından birkaç özdeş ve senkronize anahtar ağı üzerinden periyodik şarjdan geçer ve daha sonra bir direnç yardımıyla Vss veya toprağa boşaltılır.

Bu şarj deşarjının gerçekleştirilme hızı, 'fs' ile gösterilen bir örnekleme oranı ile düzenlenir.

Potansiyel farkın dahili olarak ayarlanan referans voltajı VM'nin altına düştüğünün görülmesi durumunda, karşılaştırıcının ilgili çıkışı düşük olma eğilimindedir. Karşılaştırıcıları takip eden mantık seviyesi, gerçekte diğerinden önce geçiş yapabilen kesin karşılaştırıcıyı tanımlar.

Ve üst karşılaştırıcının ilk olarak ateşlendiği tespit edilirse, bu, CUP üzerinde bir darbe ile sonuçlanırken, alt karşılaştırıcının üstten önce değiştiği tespit edilirse, darbe CDN'de etkinleştirilir.

Yukarıdaki darbeler, pin CPC ile ilişkili harici kapasitör Ccpc üzerindeki şarj seviyesinin kontrol edilmesine yarar. CUP'ta bir darbe üretildiğinde, Ccpc, belirli bir süre için VDDUNTREGD aracılığıyla ücretlendirilir ve bu da Ccpc'de yükselen bir potansiyeli tetikler.

Aynı hatlarda, CDN'de bir darbe işlendiğinde, Ccpc, mevcut çökme cihazıyla toprağa bağlanır ve kapasitörün deşarj olmasına ve potansiyelinin çökmesine neden olur.

IN pinindeki kapasitans yükseldiğinde, buna karşılık olarak deşarj süresini tdch arttırır, bu da ilgili karşılaştırıcıdaki voltajın buna karşılık gelen daha uzun bir sürede düşmesine neden olur. Bu gerçekleştiğinde, karşılaştırıcının çıkışı düşük olma eğilimindedir ve bu da CDN'de harici kapasitör ÇKP'yi daha küçük bir dereceye kadar deşarj olmaya zorlayan bir darbe oluşturur.

Bu, CUP'nin artık ÇKP'nin herhangi bir adım atmadan daha da fazla yüklenmesine neden olan darbelerin çoğunu oluşturduğu anlamına gelir.

Buna rağmen, IC'nin pin IN ile ilişkili bir çökme akımı regülasyonu 'izm' ye dayanan otomatik voltaj kontrollü kalibrasyon özelliği, dahili olarak ayarlanmış bir deşarj süresi tdcmef ile atıfta bulunarak deşarj süresini tdch dengelemek için çaba sarf eder.

Ccpg üzerindeki voltaj akım kontrollüdür ve ÇKP genelinde potansiyelin arttığı tespit edildiğinde, kapasitansın IN üzerindeki deşarjından oldukça hızlı bir şekilde sorumlu hale gelir. Bu, giriş pini IN üzerindeki artan kapasitansı mükemmel şekilde dengeler.

Bu etki, sürekli olarak izleyen ve tdchlmf'ye istinaden deşarj süresinin tdch'nin otomatik olarak eşitlenmesini sağlayan bir kapalı döngü izleme sistemine yol açar.

Bu, IC'nin IN pin çıkışı boyunca kapasitanstaki yavaş varyasyonların düzeltilmesine yardımcı olur. Hızlı şarj sırasında, örneğin bir insan parmağı algılama folyosuna hızlı bir şekilde yaklaştığında, tartışılan telafi gerçekleşmeyebilir, denge koşullarında deşarj süresinin uzunluğu farklı olmayabilir ve darbenin CUP ve CDN boyunca dönüşümlü olarak dalgalanmasına neden olur.

Bu ayrıca, daha büyük Ccpg değerlerinde, CUP veya CDN için her puls için nispeten sınırlı bir voltaj değişiminin beklenebileceğini ima eder.

Bu nedenle, dahili akım alçaltıcı daha yavaş bir kompanzasyona yol açarak sensörün hassasiyetini artırır. Aksine, ÇKP bir azalma yaşadığında sensör hassasiyetinin azalmasına neden olur.

Dahili Sensör Monitörü

Yerleşik bir sayaç kademesi, sensör tetikleyicilerini izler ve buna uygun olarak CUP veya CDN boyunca darbeleri sayar, CUP boyunca CDN'ye her darbe yönü değiştiğinde veya değiştiğinde sayaç sıfırlanır.

OUT olarak gösterilen çıkış pini, yalnızca CUP veya CDN boyunca yeterli sayıda darbe algılandığında bir aktivasyona uğrar. Sensör veya giriş kapasitansı boyunca orta düzeyde girişim veya yavaş etkileşimler, çıktı tetiklemesi üzerinde herhangi bir etki yaratmaz.

Çip, eşit olmayan şarj / deşarj modelleri gibi çeşitli koşulları not eder, böylece onaylanmış bir çıkış anahtarlaması oluşturulur ve sahte tespit ortadan kaldırılır.

Gelişmiş Başlangıç

IC, çipin beslemesi açıldığında oldukça hızlı bir şekilde dengeye ulaşmasını sağlayan gelişmiş bir başlatma devresi içerir.

Dahili olarak pin OUT, bağlı bir yük için maksimum 20mA akımla yüksek mantık (Vdd) ile pinout'u başlatan açık bir drenaj olarak yapılandırılmıştır. Çıkışın 30mA üzerindeki yüklere maruz kalması durumunda anında tetiklenen kısa devre koruma özelliği sayesinde besleme anında kesilir.
Bu pin çıkışı ayrıca CMOS uyumludur ve bu nedenle tüm CMOS tabanlı yükler veya devre aşamaları için uygun hale gelir.

Daha önce belirtildiği gibi, örnekleme hızı parametresi 'fs' kendisini RC zamanlama ağıyla kullanılan frekansın% 50'si olarak ilişkilendirir. Örnekleme oranı, CCLIN'in değeri uygun şekilde sabitlenerek önceden belirlenmiş bir aralık boyunca ayarlanabilir.

Bir sözde rastgele sinyal yoluyla% 4'te dahili olarak modüle edilmiş bir osilatör frekansı, çevredeki AC frekanslarından herhangi bir girişim olasılığını engeller.

Çıkış Durumu Seçici Modu

IC ayrıca, çıkış pininin giriş pin çıkışının kapasitif algılamasına yanıt olarak tek kararlı veya iki kararlı durumda olmasını sağlamak için kullanılabilen kullanışlı bir 'çıkış durumu seçim modu' özelliğine sahiptir. Aşağıdaki şekilde oluşturulur:

Mod 1 (Vss'de TİP etkinleştirilir): Giriş, harici kapasitif etki altında tutulduğu sürece, çıkış sp için aktif hale getirilir.

Mod 2 (VDD / NTRESD'de TİP etkinleştirildi): Bu modda, sensör folyosu boyunca müteakip kapasitif etkileşime yanıt olarak çıkış dönüşümlü olarak AÇIK ve KAPALI (yüksek ve düşük) konumuna getirilir.

Mod # 3 (TİP ve VSS arasında CTYPE etkinleştirildi): Bu koşulla, süresi CTYPE değeriyle orantılı olan ve değiştirilebilir olan her kapasitif algılama girişine yanıt olarak önceden belirlenmiş bir süre boyunca çıkış pini tetiklenir (düşük) nF kapasitans başına 2,5 ms hızında.

Mod # 3'te yaklaşık 10 ms gecikme elde etmek için CTYPE için standart bir değer 4.7nF olabilir ve CTYPE için izin verilen maksimum değer 470nF olabilir, bu da yaklaşık bir saniyelik bir gecikmeyle sonuçlanabilir. Bu dönemdeki herhangi bir ani kapasitif müdahale veya etki basitçe göz ardı edilir.

Devre Nasıl Kullanılır

Aşağıdaki bölümlerde, hassas uzaktan kumanda gerektiren tüm ürünlerde uygulanabilen aynı IC'yi kullanan tipik bir devre konfigürasyonu öğreniyoruz. yakınlık uyarımlı operasyonlar .

Önerilen kapasitif yakınlık sensörü, aşağıdaki verilerde belirtildiği gibi birçok farklı uygulamada çeşitli şekillerde kullanılabilir:

IC'yi kullanan tipik bir uygulama yapılandırmasına aşağıda tanık olunabilir:

Uygulama Devre Yapılandırması

+ Giriş kaynağı VDD'ye bağlanır. Bir yumuşatma kapasitörü tercihen yonganın daha güvenilir çalışması için VDD ve toprak ve ayrıca VDDUNTREGD boyunca ve topraklama boyunca bağlanabilir.

COLIN'in pin CLIN üzerinde üretilen kapasitans değeri, örnekleme oranını etkili bir şekilde sabitler. Örnekleme oranının artırılması, akım tüketiminde orantılı bir artışla algılama girişinde reaksiyon süresini artırabilir.

Yakınlık Sensörü Plakası

Algılayıcı kapasitif algılama plakası, iletken olmayan bir katmanla korunan ve izole edilen minyatür bir metal folyo veya plaka şeklinde olabilir.

Bu algılama alanı, diğer uçları IC'nin GİRİŞİ ile bağlantılı olabilen bir koaksiyel kablo CCABLE aracılığıyla daha uzun mesafelerde sonlandırılabilir veya plaka, uygulama ihtiyaçlarına bağlı olarak IC'nin IN çıkışına basitçe doğrudan bağlanabilir.

IC, IC'nin IN pimi aracılığıyla IC'ye yol açmaya çalışabilecek her türlü RF parazitini bastırmaya yardımcı olan dahili bir düşük geçişli filtre devresi ile donatılmıştır.

Ek olarak, diyagramda gösterildiği gibi, RF bastırmayı daha da geliştirmek ve devre için RF bağışıklığını güçlendirmek için RF ve CF kullanan bir harici konfigürasyon da eklenebilir.

Devreden optimum performans elde etmek için, CSENSE + CCABLE + Cp'nin kapasitans değerlerinin toplamının belirli bir uygun aralıkta olması, iyi bir seviyenin 30pF civarında olması önerilir.

Bu, algılama kapasitif plakası üzerindeki daha yavaş etkileşimleri eşitlemek için kontrol döngüsünün CSENSE üzerinden statik kapasitans ile daha iyi bir şekilde çalışmasına yardımcı olur.

Artırılmış Kapasitif Girişler Elde Edin

Arttırılmış kapasitif giriş seviyeleri elde etmek için, şemada belirtildiği gibi, dahili zamanlama gereksinimi özelliklerine göre deşarj süresinin kontrol edilmesine yardımcı olan ek bir direnç Rc'nin dahil edilmesi önerilebilir.

Takılı algılama plakasının veya bir algılama folyosunun enine kesit alanı, kapasitör Ccpc'nin değeri ile bağlantılı olarak devrenin duyarlılığı ile doğru orantılı hale gelir, Ccpc değerinin düşürülmesi algılama plakasının duyarlılığını büyük ölçüde etkileyebilir. Bu nedenle, etkili bir hassasiyet miktarı elde etmek için, Ccpc en uygun şekilde ve buna göre artırılabilir.

CPC işaretli pin çıkışı dahili olarak yüksek bir empedansla ilişkilendirilir ve bu nedenle kaçak akımlara duyarlı olabilir.

Tasarımdan en iyi performansı elde etmek için Ccpc'nin MKT tipi kapasitör veya X7R tipi yüksek kaliteli PPC ile seçildiğinden emin olun.

Düşük Sıcaklıklarda Çalıştırma

Sistemin 35pF'ye kadar sınırlı bir giriş kapasitansıyla ve -20 derece C donma sıcaklıklarında çalıştırılması amaçlanıyorsa, IC'ye besleme voltajını yaklaşık 2,8 V'a düşürmek tavsiye edilebilir. Bu da spesifikasyonları 0.6V ile VDD - 0.3V arasında olan Vlicpc voltajının çalışma aralığını düşürür.

Ayrıca, Vucpc'nin çalışma aralığını düşürmek, devrenin giriş kapasitans aralığını orantılı olarak düşürmeye neden olabilir.

Ayrıca, diyagramlarda gösterildiği gibi azalan sıcaklıklarla Vucpc değerinin arttığı fark edilebilir, bu da bize besleme voltajını uygun şekilde düşürmenin sıcaklıkların düşmesine neden yardımcı olduğunu söyler.

Önerilen Bileşen Özellikleri

Tablo 6 ve Tablo 7, yukarıdaki talimatlara referansla istenen uygulama özelliklerine göre uygun şekilde seçilebilecek önerilen bileşen değerleri aralığını göstermektedir.

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