3 helppoa kapasitiivista läheisyysanturipiiriä tutkittu

Tässä viestissä keskustelemme kattavasti 3 perusanturipiiristä, joissa on monia sovelluspiirejä ja piirin yksityiskohtaisia ​​ominaisuuksia. Kaksi ensimmäistä kapasitiivista läheisyysanturipiiriä käyttää yksinkertaisia ​​IC 741- ja IC 555 -perusteisia konsepteja, kun taas viimeinen on hieman tarkempi ja sisältää tarkkuuden IC PCF8883 -perusteisen suunnittelun

1) IC 741: n käyttö

Alla selitetty piiri voidaan konfiguroida aktivoimaan rele tai mikä tahansa sopiva kuorma, kuten a vesihana , heti kun ihmiskeho tai käsi on lähellä kapasitiivista anturilevyä. Erityisolosuhteissa käden läheisyys riittää vain piirilähdön laukaisemiseen.

Korkean impedanssin tulo saadaan Q1: stä, joka on säännöllinen kenttävaikutteinen transistori, kuten 2N3819. Tavallista 741 op-vahvistinta käytetään herkän jännitetasokytkimen muodossa, joka käyttää sen jälkeen virtapuskuria Q2, keskivirta-pnp-bipolaarista transistoria, aktivoimalla siten releen, joka on tottunut vaihtamaan laitetta, kuten hälytykset, hana jne. .

Piirin ollessa lepotilassa, op-vahvistimen nastassa 3 oleva jännite kiinnitetään suuremmaksi kuin nasta 2: n jännitetaso säätämällä sopivasti esiasetettua VR1: tä.

Tämä varmistaa, että jännite lähtötapissa 6 on korkea, mikä aiheuttaa transistorin Q2 ja releen pysäytyksen.

Kun sormi tuodaan anturilevyn läheisyyteen tai se koskettaa kevyesti, laskeutuva vastakkainen esijännitys VGS lisää FET Q1: n tyhjennysvirtaa ja tuloksena oleva R1-jännitteen pudotus vähentää op-vahvistimen nastan 3 jännitettä alle tappi 2.

Tämän seurauksena nastan 6 jännite putoaa ja kytkeytyy siten releen päälle Q2: n avulla. Vastus R4 voidaan määrittää, jotta rele pysyy kytkettynä pois päältä normaaleissa olosuhteissa, kun otetaan huomioon, että op-vahvistimen nastan 6 ulostulossa saattaa kehittyä pieni positiivinen pois päältä asetettu jännite, vaikka nastan 3 jännite sattuu olemaan pienempi kuin nasta 2 lepotila (lepotila). Tämä ongelma voidaan korjata yksinkertaisesti lisäämällä LED sarjaan Q2-alustan kanssa.

2) IC 555: n käyttö

Viestissä selitetään tehokas IC 555 -pohjainen kapasitiivinen läheisyysanturipiiri, jota voidaan käyttää tunkeilijoiden havaitsemiseen lähellä hinnoiteltuja esineitä, kuten autosi. Idean pyysi Max Payne.

Piiripyyntö

Hei Swagatam,

Lähetä kapasitiivinen / runko / herkkä piiri voidaan käyttää polkupyörällä. Tällainen laite näkyy auton turvajärjestelmässä. Kun joku tulee lähemmäksi autoa tai yksinkertainen 1-kanavainen läheisyys laukaisee hälytyksen 5 sekunniksi.

Kuinka tämän tyyppinen hälytys toimii, hälytys laukeaa vain, kun joku tulee lähemmäksi (esimerkiksi 30 cm) minkä tyyppistä anturia he käyttävät?

Piirikaavio

Piirikuvan ystävällisyys: Elektor Electronics

Muotoilu

Kapasitiivinen anturipiiri voidaan ymmärtää seuraavan kuvauksen avulla:

IC1 on pohjimmiltaan johdotettu hämmästyttävänä, mutta ilman todellista kondensaattoria. Tässä asetetaan kapasitiivinen levy ja se ottaa höyrystämiseen tarvittavan kondensaattorin aseman.

On huomattava, että suurempi kapasitiivinen levy tuottaa paremman ja paljon luotettavan vastauksen piiriltä.

Koska piirin on tarkoitus toimia ajoneuvon korin läheisyyden hälytysturvajärjestelmänä, itse runkoa voitaisiin käyttää kapasitiivisena levynä, ja sen tilavuus on valtava, joka sopisi sovellukseen melko hyvin.

Kun kapasitiivinen läheisyysanturilevy on integroitu, IC555 tulee valmiustilaan voimakkaita toimintoja varten.

Kun havaitaan 'maa' -elementti läheisyydestä, joka voi olla ihmisen käsi, tarvittava kapasitanssi kehittyy IC: n nastan 2/6 ja maan yli.

Edellä mainittu johtaa taajuuden hetkelliseen kehitykseen, kun IC alkaa värähtelemään hämmentävässä tilassaan.

Häikäisevä signaali saadaan IC: n pin3: sta, joka on asianmukaisesti 'integroitu' R3: n, R4: n, R5: n ja C3: n - C5: n avulla.

'Integroitu' tulos syötetään opamp-vaiheeseen, joka on kiinnitetty vertailijana.

IC2: n ympärille muodostettu vertailulaite reagoi tähän muutokseen IC1: stä ja muuntaa sen laukaisujännitteeksi, joka käyttää T1: tä ja vastaavaa relettä.

Rele voidaan kytkeä sireenillä tai torvella tarvittavaa hälytystä varten.

On kuitenkin nähty käytännöllisesti katsoen, että IC1 tuottaa positiivisen ja negatiivisen jännitteen huippupulssin tällä hetkellä, kun läpinäkyvä maa havaitaan levyn lähellä.

IC2 reagoi vain tähän huippujännitteen äkilliseen nousuun vaaditun laukaisun kannalta.

Jos kapasitiivinen kappale on edelleen levyn välittömässä läheisyydessä, piikin 3 huipputaajuusjännite katoaa aa-tasolle, jota IC2 ei voi havaita, mikä tekee siitä passiivisen, eli rele pysyy aktiivisena vain sillä hetkellä, kun kapasitiivinen elementti tuodaan tai poistettu lähellä levyn pintaa.

P1, P2 voidaan säätää maksimaalisen herkkyyden saavuttamiseksi kapasitiivisesta levystä
Lukitustoiminnon saamiseksi IC2: n lähtö voidaan integroida edelleen kiikaripiiriin, jolloin kapasitiivinen läheisyysanturipiiri on erittäin tarkka ja reagoiva

3) IC PCF8883: n käyttö

IC PCF8883 on suunniteltu toimimaan kuin tarkkuuskapasitiivinen lähestymisanturikytkin ainutlaatuisen (EDISEN-patentoidun) digitaalisen tekniikan avulla tunnistamaan pienin mahdollinen ero kapasitanssissa määritetyn anturilevyn ympärillä.

Pääpiirteet

Tämän erikoistuneen kapasitiivisen läheisyysanturin pääominaisuudet voivat olla alla esitetyt tutkimukset:

Seuraava kuva näyttää IC PCF8883: n sisäisen kokoonpanon

IC ei luota perinteiseen dynaaminen kapasitanssimoodi havaitsee pikemminkin staattisen kapasitanssin vaihtelun käyttämällä automaattista korjausta jatkuvalla automaattisella kalibroinnilla.

Anturi on periaatteessa pienen johtavan kalvon muodossa, joka voidaan integroida suoraan IC: n asiaankuuluvien pinoutien kanssa aiottua kapasitiivista tunnistusta varten tai ehkä päättää pidemmille etäisyyksille koaksiaalikaapeleiden avulla tarkan ja tehokkaan kapasitiivisen etäisyyden tunnistamisen etätoimintojen mahdollistamiseksi

Seuraavat kuvat esittävät IC PCF8883: n pinout-yksityiskohtia. Eri pinoutien ja sisäänrakennettujen piirien yksityiskohtainen toiminta voidaan ymmärtää seuraavilla kohdilla:

Piirin pinout-tiedot PCF8883

Pinout IN, jonka oletetaan olevan kytketty ulkoiseen kapasitiiviseen tunnistekalvoon, on kytketty IC: n sisäiseen RC-verkkoon.

RC-verkon 'tdch': n antamaa purkausaikaa verrataan toisen in-bult-RC-verkon purkautumisaikaan, jota merkitään nimellä 'tdchimo'.

Kaksi RC-verkkoa käyvät säännöllisesti läpi VDD: n (INTREGD) kautta pari identtistä ja synkronoitua kytkinverkkoa ja purkautuvat myöhemmin vastuksen avulla Vss: ään tai maahan

Nopeutta, jolla tämä varauksen purkaus suoritetaan, säätelee näytteenottotaajuus, jota merkitään fs: llä.

Jos potentiaalieron havaitaan laskevan sisäisesti asetetun vertailujännitteen VM alapuolelle, vertailijan vastaava lähtö pyrkii pienentymään. Vertailijoita seuraava logiikkataso tunnistaa tarkan vertailijan, joka tosiasiallisesti voisi vaihtaa ennen toista.

Ja jos ylemmän vertailijan havaitaan käynnistäneen ensin, tämä johtaa pulssin renderöintiin CUP: lla, kun taas jos alemman vertailijan havaitaan vaihtaneen ennen ylempää, pulssi otetaan käyttöön CDN: ssä.

Edellä mainitut pulssit ohjaavat varaustasoa ulkoisen kondensaattorin Ccpc yli, joka liittyy tapiin CPC. Kun CUP: lle generoidaan pulssi, Ccpc: tä ladataan VDDUNTREGD: n kautta tietyn ajanjakson ajan, mikä laukaisee nousevan potentiaalin Ccpc: llä.

Aivan samoilla linjoilla, kun pulssi suoritetaan CDN: ssä, Ccpc kytkeytyy nykyiseen uppoamislaitteeseen maahan, joka purkaa kondensaattorin aiheuttaen sen romahtamisen.

Aina kun nastan IN kapasitanssi nousee, se lisää vastaavasti purkautumisaikaa tdch, mikä aiheuttaa jännitteen asianomaisen vertailijan yli laskevan vastaavasti pidempään aikaan. Kun tämä tapahtuu, vertailijan ulostulolla on taipumus laskea, mikä puolestaan ​​tuottaa pulssin CDN: ssä ja pakottaa ulkoisen kondensaattorin CCP purkautumaan jonkin verran.

Tämä tarkoittaa, että CUP tuottaa nyt suurimman osan pulsseista, mikä saa CCP: n latautumaan vielä enemmän käymättä läpi muita vaiheita.

Tästä huolimatta IC: n automaattinen jänniteohjattu kalibrointiominaisuus, joka perustuu nastaan ​​IN liittyvään nieluvirran säätelyyn 'ism', pyrkii tasapainottamaan purkausaikaa tdch viittaamalla siihen sisäisesti asetetun purkausajan tdcmef.

Ccpg: n jännitettä ohjataan virralla ja siitä tulee vastuu IN-kapasitanssin purkautumisesta melko nopeasti aina, kun potentiaalin CCP: n yli havaitaan kasvavan. Tämä tasapainottaa täydellisesti kasvavan kapasitanssin tulotapilla IN.

Tämä vaikutus saa aikaan suljetun silmukan seurantajärjestelmän, joka valvoo jatkuvasti ja sitoutuu purkausajan tdch automaattiseen tasaamiseen tdchlmf: n suhteen.

Tämä auttaa korjaamaan kapasitanssin hitaat vaihtelut IC: n IN-pinoutissa. Nopeasti latautuvien aikojen aikana, esimerkiksi kun ihmisen sormeen lähestytään tunnistekalvoa nopeasti, keskusteltu kompensointi ei välttämättä toteudu, tasapainotiloissa purkausjakson pituus ei eroa aiheuttaen pulssin vaihtelua vuorotellen CUP: n ja CDN: n välillä.

Tämä tarkoittaa edelleen, että suuremmilla Ccpg-arvoilla voidaan odottaa suhteellisen rajoitettua jännitteen vaihtelua kullekin pulssille CUP: lle tai CDN: lle.

Siksi sisäinen virran nielu aiheuttaa hitaamman kompensoinnin, mikä parantaa anturin herkkyyttä. Päinvastoin, kun CCP kokee laskun, sensorin herkkyys laskee.

Sisäänrakennettu anturimonitori

Sisäänrakennettu laskurivaihe valvoo anturin laukaisimia ja laskee vastaavasti pulssit CUP: n tai CDN: n yli, laskuri nollataan joka kerta, kun pulssin suunta CUP: n yli CDN: ksi vaihtuu tai muuttuu.

OUT-muodossa edustettu lähtötappi aktivoituu vain, kun riittävä määrä pulsseja CUP- tai CDN-alueella havaitaan. Kohtuulliset häiriötasot tai hitaat vuorovaikutukset anturin tai sisääntulokapasitanssin välillä eivät vaikuta lähdön laukaisuun.

Siru panee merkille useita ehtoja, kuten eriarvoiset lataus- / purkutavat, jotta vahvistettu lähtökytkentä saadaan aikaan ja väärä tunnistus eliminoidaan.

Edistynyt käynnistys

IC sisältää edistyneen käynnistyspiirin, jonka avulla siru saavuttaa tasapainon melko nopeasti heti, kun syöttö sille kytketään päälle.

Sisäisesti nasta OUT on konfiguroitu avoimeksi tyhjennykseksi, joka käynnistää pinoutin suurella logiikalla (Vdd) enintään 20 mA: n virralla liitetylle kuormalle. Jos lähtöön kohdistuu yli 30 mA: n kuormitus, syöttö katkeaa välittömästi hetkellisen laukaisevan oikosulkusuojaominaisuuden vuoksi.
Tämä pinout on myös CMOS-yhteensopiva, ja siksi siitä tulee sopiva kaikille CMOS-pohjaisille kuormille tai piirivaiheille.

Kuten aiemmin mainittiin, näytteenottotaajuusparametri 'fs' viittaa 50 prosenttiin RC-ajoitusverkon käyttämästä taajuudesta. Näytteenottotaajuus voidaan asettaa ennalta määrätylle alueelle vahvistamalla asianmukaisesti CCLIN-arvo.

Sisäisesti moduloitu oskillaattoritaajuus 4%: lla näennäissatunnaissignaalin kautta estää kaikki mahdollisuudet ympäröivien AC-taajuuksien aiheuttamiin häiriöihin.

Lähtötilan valitsintila

IC: ssä on myös hyödyllinen 'ulostulon valintamoodi', jota voidaan käyttää antotapin joko monostabiilissa tai bistabiilissa tilassa vastauksena tuloliitännän kapasitiiviseen tunnistukseen. Se renderoidaan seuraavalla tavalla:

Tila # 1 (TYPE käytössä Vss: ssä): Lähtö muutetaan aktiiviseksi sp: lle niin kauan kuin tuloa pidetään ulkoisen kapasitiivisen vaikutuksen alaisena.

Tila # 2 (TYYPPI käytössä VDD / NTRESD-tilassa): Tässä tilassa lähtö kytketään vuorotellen PÄÄLLE ja POIS (korkea ja matala) vastauksena myöhempään kapasitiiviseen vuorovaikutukseen anturikalvon yli.

Tila # 3 (CTYPE käytössä TYPE: n ja VSS: n välillä): Tässä tilassa lähtötappi laukaistaan ​​(matala) jonkin ennalta määrätyn ajanjakson ajan vasteena kullekin kapasitiiviselle tunnistustulolle, jonka kesto on verrannollinen CTYPE-arvoon ja jota voidaan muuttaa nopeudella 2,5 ms / nF kapasitanssi.

CTYPE: n vakioarvo 10 ms: n viiveen kiertämisessä tilassa # 3 voi olla 4,7 nF ja suurin sallittu arvo tyypille 470 nF, mikä voi johtaa noin sekunnin viiveellä. Kaikki äkilliset kapasitiiviset toimet tai vaikutukset tänä aikana yksinkertaisesti jätetään huomiotta.

Piirin käyttö

Seuraavissa kohdissa opitaan tyypillinen piirikokoonpano samalla IC: llä, jota voidaan soveltaa kaikkiin tuotteisiin, jotka vaativat tarkkaa kauko-ohjausta läheisyydestä stimuloidut toiminnot .

Ehdotettua kapasitiivista läheisyysanturia voidaan monipuolisesti käyttää monissa eri sovelluksissa, kuten seuraavissa tiedoissa osoitetaan:

Tyypillinen sovelluksen kokoonpano IC: n avulla voidaan nähdä alla:

Sovelluspiirin kokoonpano

Syöttöjännite + on liitetty VDD: hen. Tasoituskondensaattori voidaan edullisesti yhdistää VDD: n ja maadoituksen yli ja myös VDDUNTREGD: n ja maadoituksen yli sirun luotettavamman toiminnan varmistamiseksi.

Tappi CLIN: llä tuotettu COLINin kapasitanssiarvo vahvistaa näytteenottotaajuuden tehokkaasti. Näytteenottotaajuuden lisääminen voi antaa mahdollisuuden pidentää anturin tulon reaktioaikaa suhteellisen nykyisen kulutuksen kasvulla

Läheisyysanturilevy

Tunnistava kapasitiivinen antolevy voi olla pienikokoisen metallikalvon tai levyn muodossa, joka on suojattu ja eristetty johtavalla kerroksella.

Tämä tunnistusalue voidaan joko päättää pidemmillä etäisyyksillä koaksiaalikaapelilla CCABLE, jonka muut päät voidaan liittää IC: n IN: ään, tai levy voidaan yksinkertaisesti liittää suoraan IC: n INpinoutiin sovellustarpeiden mukaan.

IC on varustettu sisäisellä alipäästösuodatinpiirillä, joka auttaa tukahduttamaan kaikki RF-häiriöiden muodot, jotka saattavat yrittää päästä sisään IC: lle IC: n IN-nastan kautta.

Kuten kaaviossa on osoitettu, voidaan lisätä myös ulkoinen kokoonpano käyttämällä RF: ää ja CF: tä RF-vaimennuksen parantamiseksi ja RF-häiriönsiedon vahvistamiseksi piirille.

Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi piiriltä on suositeltavaa, että CSENSE + CCABLE + Cp: n kapasitanssiarvojen summan tulisi olla tietyllä sopivalla alueella, hyvä taso voi olla noin 30pF.

Tämä auttaa säätösilmukkaa toimimaan paremmin CSENSE: n staattisen kapasitanssin kanssa anturin kapasitiivisen levyn melko hitaamman vuorovaikutuksen tasaamiseksi.

Saavuta kapasitiivisten panosten kasvu

Kapasitiivisten tulojen korkeamman tason saavuttamiseksi voidaan suositella lisävastuksen Rc sisällyttämistä kaaviossa esitetyllä tavalla, joka auttaa hallitsemaan purkausaikaa sisäisten ajoitusvaatimusten mukaisesti.

Kiinnitetyn anturilevyn tai anturikalvon poikkipinta-ala muuttuu suoraan verrannolliseksi piirin herkkyyteen yhdessä kondensaattorin Ccpc arvon kanssa, mikä vähentää Ccpc-arvoa, voi vaikuttaa suuresti anturilevyn herkkyyteen. Siksi tehokkaan herkkyysmäärän saavuttamiseksi Ccpc: tä voitaisiin nostaa optimaalisesti ja vastaavasti.

CPC-merkityllä pinoutilla on sisäisesti korkea impedanssi ja se voi siksi olla alttiita vuotovirtoille.

Varmista, että Ccpc on valittu korkealaatuisella MKT-tyyppisellä kondensaattorilla tai X7R-tyyppisellä PPC: llä optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi suunnittelusta.

Toiminta alhaisissa lämpötiloissa

Jos järjestelmää on tarkoitus käyttää rajoitetulla tulokapasitanssilla, joka on enintään 35 pF ja pakkasessa -20 ° C, voi olla suositeltavaa alentaa mikropiirin syöttöjännite noin 2,8 V: iin. Tämä puolestaan ​​vähentää Vlicpc-jännitteen toiminta-aluetta, jonka spesifikaatio on välillä 0,6 V - VDD - 0,3 V.

Lisäksi Vucpc: n toiminta-alueen pienentäminen voi johtaa piirin tulokapasitanssialueen pienenemiseen suhteellisesti.

Voidaan myös huomata, että kun Vucpc-arvo kasvaa lämpötilan laskiessa, kuten kaavioissa on osoitettu, mikä kertoo meille, miksi syöttöjännitteen alentaminen auttaa laskevissa lämpötiloissa.

Suositeltavat komponenttien tekniset tiedot

Taulukot 6 ja Taulukko 7 osoittavat komponenttien suositellun alueen, joka voidaan valita sopivasti haluttujen sovellusspesifikaatioiden mukaisesti yllä olevien ohjeiden mukaisesti.

Viite: https://www.nxp.com/docs/fi/data-sheet/PCF8883.pdf