3 enkla kapacitiva närhetssensorkretsar utforskade

I det här inlägget diskuterar vi omfattande 3 grundläggande närhetssensorkretsar med många applikationskretsar och detaljerade funktioner i kretsen. De första två kapacitiva närhetssensorkretsarna använder enkla IC 741- och IC 555-baserade koncept, medan den sista är lite mer exakt och innehåller en precisions IC PCF8883-baserad design

1) Använda IC 741

Kretsen nedan kan konfigureras för att aktivera ett relä eller någon lämplig belastning som t.ex. vattenkran , så snart människokroppen eller handen kommer nära den kapacitiva sensorplattan. Under specifika förhållanden är handens närhet bara tillräcklig för att utlösa kretsutgången.

En högimpedansingång ges av Q1, som är en vanlig fälteffekt-transistor som 2N3819. En standard 741 op förstärkare används i form av en känslig spänningsnivåomkopplare som därefter driver strömbufferten Q2, en medelström pnp bipolär transistor, vilket aktiverar reläet som kan vara vana att växla en enhet, såsom larm, kran etc. .

Medan kretsen är i viloläge är spänningen vid stift 3 på op-förstärkaren fixerad till högre än stift 2-spänningsnivån genom att justera förinställd VR1 på lämpligt sätt.

Detta säkerställer att spänningen vid utgångsstiftet 6 blir hög vilket får transistorn Q2 och att reläet förblir avstängt.

När fingret bringas i närheten av sensorplattan eller lätt beröring, kommer en sänkning motsatt förspänning VGS att öka avloppsströmmen för FET Q1 och det resulterande fallet över R1-spänningen kommer att minska spänningen för förstärkarens stift 3 under den spänning som finns vid stift 2.

Detta kommer att leda till att stift 6-spänningen faller och därmed slå på reläet med hjälp av Q2. Motstånd R4 kan bestämmas för att reläet ska hållas AV under normala förhållanden, med tanke på att en liten positiv avstängd spänning kan utvecklas vid utgången för förstärkarens stift 6 även om stift 3-spänningen råkar vara lägre än stift 2-spänningen i det vilande tillståndet. Detta problem kan lösas genom att helt enkelt lägga till en LED i serie med Q2-basen.

2) Använda IC 555

Inlägget förklarar en effektiv IC 555-baserad kapacitiv närhetssensorkrets som kan användas för att upptäcka inkräktare nära ett prissatt föremål som ditt fordon. Idén begärdes av Max Payne.

Kretsförfrågan

Hej Swagatam,

Vänligen posta en kapacitiv / kropp / känslig krets kan appliceras på cykel. En sådan anordning som ses på bilsäkerhetssystemet, När någon kommer närmare bilen eller en enkel 1 i ch närhet skulle utlösa larmet i 5 sekunder.

Hur den här typen av larm fungerar, utlöses larmet bara när någon kommer närmare (säg 30 cm) vilken typ av sensor de använder?

Kretsschema

Kretsbild med tillstånd: Elektor Electronics

Designen

Den kapacitiva sensorkretsen kan förstås med hjälp av följande beskrivning:

IC1 är i grunden ansluten som en stabil, men utan att ha en riktig kondensator. Här introduceras en kapacitiv platta som tar den kondensatorposition som krävs för den stabila driften.

Det måste noteras att större kapacitiv platta ger bättre och mycket tillförlitligt svar från kretsen.

Eftersom kretsen är avsedd att fungera som ett säkerhetssystem för närhet av fordonskaross, kan karossen själv användas som den kapacitiva plattan, och den är enorm i volym skulle passa applikationen ganska bra.

När den kapacitiva närhetssensorplattan är integrerad kommer IC555 i standbyläge för de stabila åtgärderna.

Vid detektering av ett 'jordelement' i närheten, vilket kan vara en människas hand, utvecklas den erforderliga kapacitansen över pin2 / 6 och marken för IC.

Ovanstående resulterar i en ögonblicklig frekvensutveckling när IC börjar oscillera i sitt astabla läge.

Den astabla signalen förvärvas vid pin3 på IC som är lämpligt 'integrerad' med hjälp av R3, R4, R5 tillsammans med C3 ---- C5.

Det 'integrerade' resultatet matas till ett opamp-scen riggat som en komparator.

Jämföraren bildad runt IC2 svarar på denna förändring från IC1 och översätter den till en utlösande spänning, som arbetar T1 och motsvarande relä.

Reläet kan kopplas med en siren eller ett horn för den nödvändiga alarmeringen.

Det ses emellertid praktiskt taget att IC1 producerar en topp positiv till negativ spänningspuls just nu när en kapacitiv jord detekteras nära plattan.

IC2 svarar endast på denna plötsliga ökning av toppspänningen för den nödvändiga utlösningen.

Om den kapacitiva kroppen fortsätter att vara i närheten av plattan försvinner toppfrekvensspänningen vid pin3 till en nivå som kan vara omöjlig att upptäcka av IC2, vilket gör den inaktiv, vilket betyder att reläet förblir aktivt bara i det ögonblick som det kapacitiva elementet förs eller tas bort nära plattans yta.

P1, P2 kan justeras för att erhålla maximal känslighet från den kapacitiva plattan
För att erhålla en spärråtgärd kan utsignalen från IC2 integreras ytterligare i en vippkrets, vilket gör den kapacitiva närhetssensorkretsen extremt exakt och lyhörd

3) Använda IC PCF8883

IC PCF8883 är utformad för att fungera som en precis kapacitiv närhetssensoromkopplare genom en unik (EDISEN patenterad) digital teknik för att känna av den minsta skillnaden i kapacitansen runt den angivna avkänningsplattan.

Huvuddrag

Huvuddragen i denna specialiserade kapacitiva närhetssensor kan studeras enligt nedan:

Följande bild visar den interna konfigurationen för IC PCF8883

IC förlitar sig inte på det traditionella dynamisk kapacitansläge för avkänning detekterar snarare variationen i den statiska kapacitansen genom att använda automatisk korrigering genom kontinuerlig automatisk kalibrering.

Sensorn är i grunden i form av en liten ledande folie som kan integreras direkt med relevanta uttag av IC för den avsedda kapacitiva avkänningen eller kanske avslutas till längre avstånd genom koaxialkablar för att möjliggöra exakta och effektiva fjärrkapacitiva avkänningsoperationer

Följande siffror representerar detaljerna i IC PCF8883. Den detaljerade funktionen hos de olika uttagen och de inbyggda kretsarna kan förstås med följande punkter:

Pinout-detaljer för IC PCF8883

Pinout IN som ska anslutas till den externa kapacitiva avkänningsfolien är kopplad till IC: s interna RC-nätverk.

Urladdningstiden som ges av 'tdch' för RC-nätverket jämförs med urladdningstiden för det andra in-bult RC-nätverket betecknat som 'tdchimo'.

De två RC-nätverken går igenom periodisk laddning av VDD (INTREGD) genom ett par identiska och synkroniserade switchnätverk och urladdas därefter med hjälp av ett motstånd till Vss eller marken.

Den hastighet med vilken denna laddningsurladdning utförs regleras av en samplingshastighet betecknad med 'fs'.

Om det anses att potentialskillnaden sjunker under den internt inställda referensspänningen VM tenderar motsvarande utgång från komparatorn att bli låg. Den logiska nivån som följer komparatorerna identifierar den exakta komparatorn som faktiskt kan växla före den andra.

Och om den övre komparatorn identifieras som att den först avfyrat, resulterar detta i att en puls återges på CUP, medan om den nedre komparatorn detekteras ha bytt före den övre, aktiveras pulsen vid CDN.

Ovanstående pulser engagerar sig i att styra laddningsnivån över den externa kondensatorn Ccpc associerad med stift CPC. När en puls genereras på CUP laddas Ccpc via VDDUNTREGD under en given tidsperiod vilket utlöser en stigande potential på Ccpc.

Ganska på samma linjer, när en puls återges vid CDN, blir Ccpc kopplad till den aktuella sänkaenheten till jord som urladdar kondensatorn och orsakar dess potential att kollapsa.

När kapacitansen vid stift IN blir högre ökar den på motsvarande sätt urladdningstiden tdch, vilket får spänningen över den relevanta komparatorn att falla vid en motsvarande längre tid. När detta sker tenderar komparatorns utsignal att bli låg vilket i sin tur gör en puls vid CDN och tvingar den externa kondensatorn CCP att urladdas i mindre grad.

Detta innebär att CUP nu genererar majoriteten av pulserna som får CCP att laddas upp ännu mer utan att gå igenom några ytterligare steg.

Trots detta gör den automatiska spänningsstyrda kalibreringsfunktionen hos IC som förlitar sig på en sjunkströmreglering 'ism' associerad med stift IN ett försök att balansera urladdningstiden genom att hänvisa den till en internt inställd urladdningstid tdcmef.

Spänningen över Ccpg är strömstyrd och blir ansvarig för urladdningen av kapacitansen på IN ganska snabbt när potentialen över CCP upptäcks öka. Detta balanserar perfekt den ökande kapacitansen på ingångsstiftet IN.

Denna effekt ger upphov till ett spårningssystem med sluten slinga som kontinuerligt övervakar och ingriper i en automatisk utjämning av urladdningstiden tdch med hänvisning till tdchlmf.

Detta hjälper till att korrigera trånga variationer i kapacitans över IN-pinout på IC. Vid snabbt laddning av sates, till exempel när ett mänskligt finger närmar sig avkänningsfolien snabbt, kanske den diskuterade kompensationen inte uppträder, under jämviktsförhållanden skiljer sig inte urladdningsperiodens längd, vilket orsakar att pulsen växlar växelvis över CUP och CDN.

Detta innebär vidare att med större Ccpg-värden kan en relativt begränsad spänningsvariation för varje puls förväntas för CUP eller CDN.

Därför ger den interna strömförsänkningen upphov till en långsammare kompensation, vilket ökar sensorkänsligheten. Tvärtom, när KKP upplever en minskning, orsakar sensorkänsligheten att sjunka.

Inbyggd sensormonitor

Ett inbyggt räknesteg övervakar sensortriggarna och räknar på motsvarande sätt pulserna över CUP eller CDN, räknaren återställs varje gång pulsriktningen över CUP till CDN växlar eller ändras.

Utgångsstiftet som representeras som OUT genomgår en aktivering endast när tillräckligt antal pulser över CUP eller CDN detekteras. Modena nivåer av störningar eller långsamma interaktioner över sensorn eller ingångskapacitansen ger ingen effekt på utgångsutlösaren.

Chipet noterar flera förhållanden såsom ojämna laddnings- / urladdningsmönster så att en bekräftad utgångsväxling återges och falsk detektering elimineras.

Avancerad start

IC: n inkluderar en avancerad startkrets som gör det möjligt för chipet att nå jämvikt ganska snabbt så snart matningen till det slås PÅ.

Internt är stiftet OUT konfigurerat som ett öppet avlopp som initierar uttaget med en hög logik (Vdd) med maximalt 20 mA ström för en ansluten belastning. Om utgången utsätts för belastningar över 30 mA, kopplas strömförsörjningen omedelbart bort på grund av kortslutningsskyddsfunktionen som omedelbart utlöses.
Denna pinout är också CMOS-kompatibel och blir därför lämplig för alla CMOS-baserade belastningar eller kretssteg.

Som nämnts tidigare relaterar samplingsfrekvensparametern 'fs' sig till 50% av frekvensen som används med RC-tidsnätverket. Samplingshastigheten kan ställas in över ett förutbestämt intervall genom att korrekt fixera värdet för CCLIN.

En internt modulerad oscillatorfrekvens vid 4% genom en pseudoslumpmässig signal förhindrar risken för störningar från omgivande växelströmsfrekvenser.

Läge för väljare för utgångstillstånd

IC har också ett användbart '' läge för val av utgångstillstånd '' som kan användas för att möjliggöra för utgångsstiftet antingen i monostabilt eller bistabilt tillstånd som svar på den kapacitiva avkänningen av ingångens pinout. Det återges på följande sätt:

Läge # 1 (TYP aktiverad vid Vss): Utgången görs aktiv så länge ingången hålls under extern kapacitiv påverkan.

Läge # 2 (TYP aktiverad vid VDD / NTRESD): I detta läge slås utgången växelvis PÅ och AV (hög och låg) som svar på efterföljande kapacitiv interaktion över sensorfolien.

Läge # 3 (CTYPE aktiverat mellan TYPE och VSS): Med detta tillstånd utlöses stiftet (lågt) under en viss förutbestämd tid som svar på varje kapacitiv avkänningsingång, vars varaktighet är proportionell mot värdet på CTYPE och kan varieras med en hastighet på 2,5 ms per nF kapacitans.

Ett standardvärde för CTYPE för att komma runt en 10ms fördröjning i läge # 3 kan vara 4.7nF, och det maximalt tillåtna värdet för CTYPE är 470nF, vilket kan resultera i en fördröjning på cirka en sekund. Alla plötsliga kapacitiva ingrepp eller influenser under denna period ignoreras helt enkelt.

Hur man använder kretsen

I följande avsnitt lär vi oss en typisk kretskonfiguration med samma IC som kan användas i alla produkter som kräver fjärrkontroll närhetsstimulerade operationer .

Den föreslagna kapacitiva närhetssensorn kan användas på olika sätt i många olika applikationer som anges i följande data:

En typisk applikationskonfiguration med IC kan bevittnas nedan:

Konfiguration av applikationskrets

Ingången + är ansluten till VDD. En utjämningskondensator kan företrädesvis vara ansluten över och VDD och jord och även över VDDUNTREGD och jord för mer tillförlitlig bearbetning av chipet.

Kapacitansvärdet för COLIN som produceras på stift CLIN fixerar samplingsfrekvensen effektivt. Ökande samplingshastighet kan möjliggöra förbättrad reaktionstid på avkänningsingången med en proportionell ökning av strömförbrukningen

Närhetssensorplatta

Den avkännande kapacitiva avkänningsplattan kan vara i form av en miniatyrmetallfolie eller platta avskärmad och isolerad med ett icke-ledande skikt.

Detta avkänningsområde kan antingen avslutas över längre avstånd via en koaxialkabel CCABLE vars andra ändar kan vara kopplade till IC: ns IN, eller så kan plattan helt enkelt anslutas direkt till IC-ingången beroende på applikationsbehovet.

IC är utrustad med en intern lågpassfilterkrets som hjälper till att undertrycka alla former av RF-störningar som kan försöka ta sig in i IC genom IC-stiftet på IC.

Dessutom kan man, såsom indikeras i diagrammet, lägga till en extern konfiguration med användning av RF och CF för att ytterligare förbättra RF-undertryckningen och förstärka RF-immuniteten för kretsen.

För att uppnå en optimal prestanda från kretsen rekommenderas att summan av kapacitansvärdena för CSENSE + CCABLE + Cp bör ligga inom ett givet lämpligt intervall, en bra nivå kan vara runt 30pF.

Detta hjälper kontrollslingan att fungera på ett bättre sätt med den statiska kapacitansen över CSENSE för att utjämna de ganska långsammare interaktionerna på den avkännande kapacitiva plattan.

Uppnå ökade kapacitiva ingångar

För att uppnå ökade nivåer av kapacitiva ingångar kan det rekommenderas att inkludera ett kompletterande motstånd Rc såsom indikerat i diagrammet som hjälper till att kontrollera urladdningstiden enligt specifikationerna för intern timingkrav.

Tvärsnittsarean för den fastsatta avkänningsplattan eller en avkänningsfolie blir direkt proportionell mot känsligheten hos kretsen, i kombination med värdet på kondensatorn Ccpc, kan reducerande Ccpc-värde i hög grad påverka avkänningsplattans känslighet. Därför för att uppnå en effektiv mängd känslighet skulle Ccpc kunna ökas optimalt och följaktligen.

Pinout-märkt CPC tillskrivs internt med hög impedans och kan därför vara mottagligt för läckströmmar.

Se till att Ccpc väljs med en högkvalitativ PPC av MKT-typ av kondensator eller X7R-typ för att uppnå optimal prestanda från designen.

Fungerar vid låga temperaturer

Om systemet är avsett att drivas med en begränsad ingångskapacitans på upp till 35pF och vid frysningstemperatur -20 grader C, kan det vara tillrådligt att sänka matningsspänningen till IC till cirka 2,8V. Detta minskar i sin tur arbetsområdet för Vlicpc-spänning vars specifikation ligger mellan 0,6V till VDD - 0,3V.

Dessutom kan sänkning av arbetsområdet för Vucpc resultera i att sänka kretsens ingångskapacitansområde proportionellt.

Man kan också märka att när Vucpc-värdet ökar med sjunkande temperaturer, vilket visas i diagrammen, vilket berättar varför en korrekt sänkning av matningsspänningen hjälper till att sänka temperaturen.

Rekommenderade komponentspecifikationer

Tabell 6 och Tabell 7 visar det rekommenderade intervallet för komponentvärdena som kan väljas på lämpligt sätt enligt önskade applikationsspecifikationer med hänvisning till ovanstående instruktioner.

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