3 einfache kapazitive Näherungssensorschaltungen untersucht

In diesem Beitrag werden drei grundlegende Näherungssensorschaltungen mit vielen Anwendungsschaltungen und detaillierten Merkmalen der Schaltung ausführlich erörtert. Die ersten beiden kapazitiven Näherungssensorschaltungen verwenden einfache IC 741- und IC 555-basierte Konzepte, während die letzte etwas genauer ist und ein präzises IC PCF8883-basiertes Design enthält

1) Verwenden von IC 741

Die unten erläuterte Schaltung könnte so konfiguriert sein, dass sie ein Relais oder eine geeignete Last wie z Wasserhahn , sobald sich der menschliche Körper oder die Hand der kapazitiven Sensorplatte nähert. Unter bestimmten Bedingungen reicht die Handnähe nur aus, um den Schaltungsausgang auszulösen.

Ein hochohmiger Eingang wird durch Q1 gegeben, bei dem es sich um einen regulären Feldeffekttransistor wie 2N3819 handelt. Ein Standard-Operationsverstärker 741 wird in Form eines empfindlichen Spannungspegelschalters verwendet, der anschließend den Strompuffer Q2, einen Mittelstrom-pnp-Bipolartransistor, ansteuert und so das Relais aktiviert, das zum Schalten eines Geräts wie Alarme, Wasserhähne usw. Gewohnt sein kann .

Während sich die Schaltung im Leerlauf-Standby-Zustand befindet, wird die Spannung an Pin 3 des Operationsverstärkers durch geeignete Einstellung der Voreinstellung VR1 auf einen höheren Pegel als den Spannungspegel von Pin 2 festgelegt.

Dies stellt sicher, dass die Spannung am Ausgangspin 6 hoch ist, wodurch der Transistor Q2 und das Relais ausgeschaltet bleiben.

Wenn der Finger in die Nähe der Sensorplatte gebracht wird oder sich leicht berührt, erhöht eine Absenkung der entgegengesetzten Vorspannung VGS den Drainstrom des FET Q1 und der resultierende Abfall über die Spannung R1 verringert die Spannung des Operationsverstärkerstifts 3 unter die bei Pin 2.

Dies führt dazu, dass die Spannung von Pin 6 abfällt und folglich das Relais mittels Q2 einschaltet. Der Widerstand R4 kann bestimmt werden, damit das Relais unter normalen Bedingungen ausgeschaltet bleibt, wenn man bedenkt, dass sich am Ausgang des Operationsverstärkers Pin 6 eine winzige positive Off-Set-Spannung entwickeln kann, selbst wenn die Spannung von Pin 3 niedriger als die Spannung von Pin 2 ist der Ruhezustand. Dieses Problem könnte einfach durch Hinzufügen einer LED in Reihe mit der Q2-Basis behoben werden.

2) Verwenden von IC 555

In diesem Beitrag wird eine effektive kapazitive Näherungssensorschaltung auf IC 555-Basis erläutert, mit der Eindringlinge in der Nähe eines preisgünstigen Objekts wie Ihres Fahrzeugs erkannt werden können. Die Idee wurde von Herrn Max Payne angefordert.

Die Schaltungsanforderung

Hallo Swagatam,

Bitte posten Sie einen kapazitiven / Körper / empfindlichen Stromkreis, der auf dem Fahrrad angewendet werden kann. Ein solches Gerät, das im Auto-Sicherheitssystem zu sehen ist, löst den Alarm für 5 Sekunden aus, wenn sich jemand dem Auto nähert oder eine einfache 1-in-ch-Nähe.

Wie diese Art von Alarm funktioniert, wird der Alarm nur ausgelöst, wenn jemand näher kommt (z. B. 30 cm), welche Art von Sensor er verwendet?

Schaltplan

Schaltungsbild mit freundlicher Genehmigung von Elektor Electronics

Das Design

Die kapazitive Sensorschaltung kann mit Hilfe der folgenden Beschreibung verstanden werden:

IC1 ist grundsätzlich als Astable verdrahtet, jedoch ohne einen echten Kondensator. Hier wird eine kapazitive Platte eingeführt, die die Position des Kondensators einnimmt, der für den stabilen Betrieb erforderlich ist.

Es ist zu beachten, dass eine größere kapazitive Platte eine bessere und zuverlässigere Reaktion der Schaltung erzeugt.

Da die Schaltung als Sicherheitssystem für die Annäherung an die Fahrzeugkarosserie gedacht ist, könnte die Karosserie selbst als kapazitive Platte verwendet werden, und ein großes Volumen würde für die Anwendung recht gut geeignet sein.

Sobald die kapazitive Näherungssensorplatte integriert ist, kommt der IC555 in eine Standby-Position für die stabilen Aktionen.

Beim Erkennen eines 'Erdungs' -Elements in unmittelbarer Nähe, das die Hand eines Menschen sein könnte, wird die erforderliche Kapazität über Pin 2/6 und Masse des IC entwickelt.

Das Obige führt zu einer sofortigen Frequenzentwicklung, wenn der IC in seinem astabilen Modus zu schwingen beginnt.

Das astabile Signal wird an Pin3 des IC erfasst, der mit Hilfe von R3, R4, R5 zusammen mit C3 ---- C5 in geeigneter Weise 'integriert' wird.

Das 'integrierte' Ergebnis wird einer als Komparator eingerichteten Opamp-Stufe zugeführt.

Der um IC2 gebildete Komparator reagiert auf diese Änderung von IC1 und übersetzt sie in eine Auslösespannung, die T1 und das entsprechende Relais betreibt.

Das Relais kann für die erforderliche Alarmierung mit einer Sirene oder einer Hupe verdrahtet werden.

Es ist jedoch praktisch zu sehen, dass IC1 in dem Moment, in dem eine kapazitive Masse in der Nähe der Platte erfasst wird, einen positiven bis negativen Spannungsspitzenimpuls erzeugt.

IC2 reagiert ausschließlich auf diesen plötzlichen Anstieg der Spitzenspannung für die erforderliche Auslösung.

Befindet sich der kapazitive Körper weiterhin in unmittelbarer Nähe der Platte, verschwindet die Spitzenfrequenzspannung an Pin3 auf einen Pegel, der von IC2 möglicherweise nicht erkannt werden kann, wodurch er inaktiv wird, was bedeutet, dass das Relais nur in dem Moment aktiv bleibt, in dem das kapazitive Element gebracht wird oder in der Nähe der Plattenoberfläche entfernt.

P1, P2 können eingestellt werden, um maximale Empfindlichkeit von der kapazitiven Platte zu erhalten
Um eine Verriegelungswirkung zu erhalten, kann der Ausgang von IC2 weiter in eine Flip-Flop-Schaltung integriert werden, wodurch die kapazitive Näherungssensorschaltung äußerst genau und ansprechbar wird

3) Verwenden des IC PCF8883

Der IC PCF8883 arbeitet wie ein präziser kapazitiver Näherungssensor durch eine einzigartige (von EDISEN patentierte) digitale Technologie, mit der der kleinste Kapazitätsunterschied um die angegebene Sensorplatte erfasst werden kann.

Haupteigenschaften

Die Hauptmerkmale dieses speziellen kapazitiven Näherungssensors können wie folgt untersucht werden:

Das folgende Bild zeigt die interne Konfiguration des IC PCF8883

Der IC verlässt sich nicht auf das Traditionelle dynamischer Kapazitätserfassungsmodus Ermittelt vielmehr die Änderung der statischen Kapazität durch automatische Korrektur durch kontinuierliche automatische Kalibrierung.

Der Sensor hat im Wesentlichen die Form einer kleinen leitenden Folie, die direkt in die relevanten Pinbelegungen des IC für die beabsichtigte kapazitive Erfassung integriert oder möglicherweise über Koaxialkabel auf größere Entfernungen abgeschlossen werden kann, um genaue und effektive kapazitive Fernerkundungsoperationen zu ermöglichen

Die folgenden Abbildungen zeigen die Pinbelegungsdetails des IC PCF8883. Die detaillierte Funktionsweise der verschiedenen Pinbelegungen und der eingebauten Schaltung kann anhand der folgenden Punkte verstanden werden:

Pinbelegung Details des IC PCF8883

Die Pinbelegung IN, die mit der externen kapazitiven Erfassungsfolie verbunden werden soll, ist mit dem internen RC-Netzwerk des IC verbunden.

Die durch 'tdch' des RC-Netzwerks gegebene Entladezeit wird mit der Entladezeit des zweiten in-bult-RC-Netzwerks verglichen, das als 'tdchimo' bezeichnet wird.

Die beiden RC-Netze werden durch VDD (INTREGD) über einige identische und synchronisierte Schalternetzwerke periodisch aufgeladen und anschließend mit Hilfe eines Widerstands gegen Vss oder Masse entladen

Die Rate, mit der diese Ladungsentladung ausgeführt wird, wird durch eine Abtastrate reguliert, die mit 'fs' bezeichnet ist.

Wenn festgestellt wird, dass die Potentialdifferenz unter die intern eingestellte Referenzspannung VM fällt, neigt der entsprechende Ausgang des Komparators dazu, niedrig zu werden. Der Logikpegel, der den Komparatoren folgt, identifiziert den genauen Komparator, der tatsächlich vor dem anderen schalten könnte.

Und wenn festgestellt wird, dass der obere Komparator zuerst ausgelöst hat, führt dies dazu, dass ein Impuls auf CUP gerendert wird. Wenn jedoch festgestellt wird, dass der untere Komparator vor dem oberen geschaltet hat, wird der Impuls bei CDN aktiviert.

Die obigen Impulse steuern den Ladungspegel über den externen Kondensator Ccpc, der dem Pin CPC zugeordnet ist. Wenn ein Impuls auf CUP erzeugt wird, wird der Ccpc für einen bestimmten Zeitraum über VDDUNTREGD aufgeladen, was ein ansteigendes Potential auf Ccpc auslöst.

Ganz auf den gleichen Leitungen wird der Ccpc, wenn ein Impuls bei CDN gerendert wird, mit der Stromsenkenvorrichtung mit Masse verbunden, wodurch der Kondensator entladen wird und sein Potential zusammenbricht.

Immer wenn die Kapazität an Pin IN höher wird, erhöht sie entsprechend die Entladezeit tdch, wodurch die Spannung am relevanten Komparator zu einer entsprechend längeren Zeit abfällt. Wenn dies stattfindet, neigt der Ausgang des Komparators dazu, niedrig zu werden, was wiederum einen Impuls bei CDN erzeugt, der den externen Kondensator CCP zwingt, sich in einem geringeren Ausmaß zu entladen.

Dies impliziert, dass CUP jetzt den Großteil der Impulse erzeugt, wodurch sich CCP noch mehr auflädt, ohne weitere Schritte zu durchlaufen.

Trotzdem bemüht sich die automatische spannungsgesteuerte Kalibrierungsfunktion des IC, die auf einem Senkenstromregelungs-Ismus beruht, der mit Pin IN verbunden ist, die Entladungszeit tdch auszugleichen, indem sie mit einer intern eingestellten Entladungszeit tdcmef bezeichnet wird.

Die Spannung an Ccpg ist stromgesteuert und wird für die Entladung der Kapazität an IN ziemlich schnell verantwortlich, wenn festgestellt wird, dass das Potential an CCP zunimmt. Dies gleicht die zunehmende Kapazität am Eingangspin IN perfekt aus.

Dieser Effekt führt zu einem Verfolgungssystem mit geschlossenem Regelkreis, das die Entladungszeit tdch in Bezug auf tdchlmf kontinuierlich überwacht und automatisch ausgleicht.

Dies hilft, langsame Kapazitätsschwankungen über die IN-Pinbelegung des IC zu korrigieren. Während schnell aufgeladener Zustände, beispielsweise wenn sich ein menschlicher Finger schnell der Erfassungsfolie nähert, tritt die diskutierte Kompensation möglicherweise nicht auf, unter Gleichgewichtsbedingungen unterscheidet sich die Länge der Entladeperiode nicht, was dazu führt, dass der Impuls abwechselnd über CUP und CDN schwankt.

Dies impliziert ferner, dass bei größeren Ccpg-Werten eine relativ eingeschränkte Spannungsänderung für jeden Impuls für CUP oder CDN erwartet werden kann.

Daher führt die interne Stromsenke zu einer langsameren Kompensation, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird. Im Gegenteil, wenn die CCP eine Abnahme erfährt, sinkt die Sensorempfindlichkeit.

Eingebauter Sensormonitor

Eine eingebaute Zählerstufe überwacht die Sensorauslöser und zählt entsprechend die Impulse über CUP oder CDN. Der Zähler wird jedes Mal zurückgesetzt, wenn sich die Impulsrichtung über CUP zu CDN ändert oder ändert.

Der als OUT dargestellte Ausgangspin wird nur dann aktiviert, wenn eine ausreichende Anzahl von Impulsen über CUP oder CDN erfasst wird. Geringe Interferenzen oder langsame Wechselwirkungen zwischen Sensor und Eingangskapazität wirken sich nicht auf die Ausgangsauslösung aus.

Der Chip notiert verschiedene Bedingungen wie ungleiche Lade- / Entlademuster, so dass eine bestätigte Ausgangsumschaltung erfolgt und eine Störungserkennung beseitigt wird.

Fortgeschrittenes Start-up

Der IC enthält eine fortschrittliche Startschaltung, die es dem Chip ermöglicht, ziemlich schnell ein Gleichgewicht zu erreichen, sobald die Versorgung zu ihm eingeschaltet wird.

Intern ist der Pin OUT als offener Drain konfiguriert, der die Pinbelegung mit einer hohen Logik (Vdd) mit einem Strom von maximal 20 mA für eine angeschlossene Last initiiert. Wenn der Ausgang Lasten über 30 mA ausgesetzt ist, wird die Versorgung aufgrund der Kurzschlussschutzfunktion, die sofort ausgelöst wird, sofort unterbrochen.
Diese Pinbelegung ist auch CMOS-kompatibel und eignet sich daher für alle CMOS-basierten Lasten oder Schaltungsstufen.

Wie bereits erwähnt, bezieht sich der Abtastratenparameter 'fs' auf 50% der Frequenz, die mit dem RC-Zeitnetzwerk verwendet wird. Die Abtastrate kann über einen vorbestimmten Bereich eingestellt werden, indem der Wert von CCLIN entsprechend festgelegt wird.

Eine intern modulierte Oszillatorfrequenz von 4% durch ein Pseudozufalls-Signal verhindert die Möglichkeit von Interferenzen durch umgebende Wechselstromfrequenzen.

Ausgangsstatus-Auswahlmodus

Der IC verfügt auch über einen nützlichen 'Auswahlmodus für den Ausgangszustand', mit dem der Ausgangsstift als Reaktion auf die kapazitive Erfassung der Eingangsbelegung entweder in den monostabilen oder den bistabilen Zustand versetzt werden kann. Es wird folgendermaßen gerendert:

Modus # 1 (TYPE aktiviert bei Vss): Der Ausgang wird für sp aktiv, solange der Eingang unter dem externen kapazitiven Einfluss gehalten wird.

Modus # 2 (TYPE aktiviert bei VDD / NTRESD): In diesem Modus wird der Ausgang als Reaktion auf die nachfolgende kapazitive Interaktion über die Sensorfolie abwechselnd ein- und ausgeschaltet (hoch und niedrig).

Modus 3 (CTYPE zwischen TYPE und VSS aktiviert): Unter dieser Bedingung wird der Ausgangspin für eine bestimmte vorgegebene Zeitdauer als Reaktion auf jeden kapazitiven Erfassungseingang ausgelöst (niedrig), dessen Dauer proportional zum Wert von CTYPE ist und variiert werden kann mit einer Rate von 2,5 ms pro nF Kapazität.

Ein Standardwert für CTYPE für eine Verzögerung von etwa 10 ms in Modus 3 könnte 4,7 nF sein, und der maximal zulässige Wert für CTYPE beträgt 470 nF, was zu einer Verzögerung von etwa einer Sekunde führen kann. Abrupte kapazitive Eingriffe oder Einflüsse während dieser Zeit werden einfach ignoriert.

Verwendung der Schaltung

In den folgenden Abschnitten lernen wir eine typische Schaltungskonfiguration mit demselben IC kennen, die in allen Produkten angewendet werden kann, die eine Präzisionsfernbedienung erfordern Proximity-stimulierte Operationen .

Der vorgeschlagene kapazitive Näherungssensor kann in vielen verschiedenen Anwendungen unterschiedlich verwendet werden, wie in den folgenden Daten angegeben:

Eine typische Anwendungskonfiguration unter Verwendung des IC ist unten zu sehen:

Konfiguration der Anwendungsschaltung

Die + Eingangsversorgung ist mit dem VDD verbunden. Ein Glättungskondensator kann vorzugsweise über VDD und Masse sowie über VDDUNTREGD und Masse geschaltet sein, um ein zuverlässigeres Arbeiten des Chips zu gewährleisten.

Der Kapazitätswert von COLIN, wie er an Pin CLIN erzeugt wird, legt die Abtastrate effektiv fest. Eine Erhöhung der Abtastrate kann eine Verlängerung der Reaktionszeit am Sensoreingang mit einer proportionalen Erhöhung des Stromverbrauchs ermöglichen

Näherungssensorplatte

Die kapazitive Erfassungsplatte könnte die Form einer Miniaturmetallfolie oder -platte haben, die abgeschirmt und mit einer nichtleitenden Schicht isoliert ist.

Dieser Erfassungsbereich könnte entweder über größere Entfernungen über ein Koaxialkabel CCABLE abgeschlossen werden, dessen andere Enden mit dem IN des IC verbunden sein können, oder die Platte könnte abhängig von den Anwendungsanforderungen einfach direkt mit dem INpinout des IC verbunden werden.

Der IC ist mit einer internen Tiefpassfilterschaltung ausgestattet, die dazu beiträgt, alle Formen von HF-Interferenzen zu unterdrücken, die versuchen können, über den IN-Pin des IC in den IC einzudringen.

Zusätzlich kann, wie in dem Diagramm angegeben, eine externe Konfiguration unter Verwendung von RF und CF hinzugefügt werden, um die RF-Unterdrückung weiter zu verbessern und die RF-Immunität für die Schaltung zu verstärken.

Um eine optimale Leistung der Schaltung zu erzielen, wird empfohlen, dass die Summe der Kapazitätswerte von CSENSE + CCABLE + Cp innerhalb eines bestimmten geeigneten Bereichs liegt. Ein guter Pegel kann bei 30 pF liegen.

Dies hilft dem Regelkreis, besser mit der statischen Kapazität über CSENSE zu arbeiten, um die eher langsameren Wechselwirkungen auf der kapazitiven Abtastplatte auszugleichen.

Erhöhte kapazitive Eingaben erzielen

Um ein höheres Maß an kapazitiven Eingängen zu erreichen, kann empfohlen werden, einen zusätzlichen Widerstand Rc wie in der Abbildung angegeben einzubauen, mit dessen Hilfe die Entladezeit gemäß den Spezifikationen für die interne Zeitsteuerung gesteuert werden kann.

Die Querschnittsfläche der angebrachten Sensorplatte oder einer Sensorfolie wird in Verbindung mit dem Wert des Kondensators Ccpc direkt proportional zur Empfindlichkeit der Schaltung. Eine Verringerung des Ccpc-Werts kann die Empfindlichkeit der Sensorplatte stark beeinflussen. Um eine effektive Empfindlichkeit zu erreichen, könnte Ccpc daher optimal und entsprechend erhöht werden.

Die mit CPC gekennzeichnete Pinbelegung wird intern einer hohen Impedanz zugeordnet und kann daher für Leckströme anfällig sein.

Stellen Sie sicher, dass Ccpc mit einem hochwertigen PPC vom Typ MKT-Kondensator oder X7R-Typ ausgewählt wird, um eine optimale Leistung des Designs zu erzielen.

Betrieb bei niedrigen Temperaturen

Wenn das System mit einer eingeschränkten Eingangskapazität von bis zu 35 pF und bei Gefriertemperaturen von -20 ° C betrieben werden soll, kann es ratsam sein, die Versorgungsspannung zum IC auf etwa 2,8 V zu senken. Dies verringert wiederum den Betriebsbereich der Vlicpc-Spannung, deren Spezifikation zwischen 0,6 V und VDD - 0,3 V liegt.

Darüber hinaus könnte das Verringern des Betriebsbereichs von Vucpc dazu führen, dass der Eingangskapazitätsbereich der Schaltung proportional verringert wird.

Man kann auch feststellen, dass der Vucpc-Wert mit abnehmenden Temperaturen zunimmt, wie in den Diagrammen gezeigt, was uns erklärt, warum eine angemessene Verringerung der Versorgungsspannung zur Abnahme der Temperaturen beiträgt.

Empfohlene Komponentenspezifikationen

Tabelle 6 und Tabelle 7 geben den empfohlenen Bereich der Komponentenwerte an, die gemäß den gewünschten Anwendungsspezifikationen unter Bezugnahme auf die obigen Anweisungen angemessen ausgewählt werden können.

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