3 Nem kapacitive nærhedssensorkredsløb udforsket

I dette indlæg diskuterer vi omfattende 3 basale nærhedssensorkredsløb med mange applikationskredsløb og detaljerede funktioner i kredsløbet. De første to kapacitive nærhedssensorkredse bruger et simpelt IC 741 og IC 555-baseret koncept, mens det sidste er lidt mere præcist og inkorporerer et præcist IC PCF8883-baseret design

1) Brug af IC 741

Nedenstående kredsløb kunne konfigureres til at aktivere et relæ eller en hvilken som helst passende belastning såsom en vandhane , så snart menneskekroppen eller hånden kommer i nærheden af ​​den kapacitive sensorplade. Under specifikke forhold er håndens nærhed kun nok til at udløse kredsløbsudgangen.

En højimpedansindgang gives af Q1, som er en regelmæssig felteffekt-transistor som 2N3819. En standard 741 op-forstærker anvendes i form af en følsom spændingsniveauafbryder, der efterfølgende driver strømbufferen Q2, en mellemstrøm pnp bipolær transistor, hvilket aktiverer det relæ, der kan være vant til at skifte en enhed, såsom alarmer, vandhane osv. .

Mens kredsløbet er i inaktiv standbytilstand, er spændingen ved pin 3 på op-forstærkeren fastgjort til større end pin 2-spændingsniveauet ved passende justering af forudindstillet VR1.

Dette sørger for, at spændingen ved udgangsstift 6 bliver høj, hvilket får transistoren Q2, og relæet forbliver slukket.

Når fingeren bringes tæt på sensorpladen eller rører let, vil en sænkende modsat forspænding VGS øge afløbsstrømmen for FET Q1, og det resulterende fald over R1-spænding vil reducere op-amp pin 3-spændingen under spændingen, der findes pin 2.

Dette vil medføre, at pin 6-spændingen falder og derfor tænder relæet ved hjælp af Q2. Modstand R4 kan bestemmes for at relæet holdes slukket under normale forhold, i betragtning af at der kan udvikles en lille positiv off off spænding ved op amp amp pin 6 output, selvom pin 3 spænding tilfældigvis er lavere end pin 2 spænding i den hvilende (inaktive) tilstand. Dette problem kunne løses ved blot at tilføje en LED i serie med Q2-basen.

2) Brug af IC 555

Indlægget forklarer et effektivt IC 555-baseret kapacitivt nærhedssensorkredsløb, der kan bruges til at detektere ubudne gæster nær et prissat objekt som dit køretøj. Ideen blev anmodet om af Mr. Max Payne.

Circuit Request

Hej Swagatam,

Venligst post et kapacitivt / krops- / følsomt kredsløb kan anvendes på cykel. En sådan enhed set på bilsikkerhedssystemet, når nogen kommer tættere på bilen eller en simpel 1 i ch nærhed ville udløse alarmen i 5 sekunder.

Hvordan denne type alarm fungerer, alarmen udløses kun, når nogen kommer tættere (f.eks. 30 cm), hvilken type sensor de bruger?

Kredsløbsdiagram

Kredsløbsbillede med tilladelse: Elektor Electronics

Designet

Det kapacitive sensorkredsløb kan forstås ved hjælp af følgende beskrivelse:

IC1 er dybest set kablet som en astabel, men uden at inkorporere en reel kondensator. Her introduceres en kapacitiv plade, der tager den kondensatorposition, der kræves til den stabile drift.

Det skal bemærkes, at større kapacitiv plade vil give bedre og meget pålidelig respons fra kredsløbet.

Da kredsløbet er beregnet til at fungere som et sikkerhedssystem til nærhed af køretøjets krop, kan selve kroppen bruges som den kapacitive plade, og det er enormt i volumen ville passe til applikationen ganske godt.

Når den kapacitive nærhedsfølerplade er integreret, kommer IC555 i standby-position for de forbløffende handlinger.

Ved detektering af et 'jord' element i en tæt nærhed, som kan være et menneskes hånd, udvikles den krævede kapacitans over pin2 / 6 og jorden på IC.

Ovenstående resulterer i en øjeblikkelig udvikling af frekvens, når IC begynder at svinge i sin astable tilstand.

Det forbløffende signal erhverves ved pin3 på IC'en, som er passende 'integreret' ved hjælp af R3, R4, R5 sammen med C3 ---- C5.

Det 'integrerede' resultat føres til et opamp-trin rigget som en komparator.

Komparatoren dannet omkring IC2 reagerer på denne ændring fra IC1 og oversætter den til en udløsende spænding, der driver T1 og det tilsvarende relæ.

Relæet kan være forbundet med en sirene eller et horn for den krævede alarmering.

Imidlertid ses det praktisk talt, at IC1 producerer en top-positiv til negativ spændingsimpuls i det øjeblik, hvor en kapacitiv jord detekteres nær pladen.

IC2 reagerer udelukkende på denne pludselige stigning i spidsen for den krævede udløsning.

Hvis det kapacitive legeme fortsætter med at være tæt på pladen, forsvinder spidsen for spidsfrekvensen ved pin3 til et niveau, som muligvis ikke kan detekteres af IC2, hvilket gør det inaktivt, hvilket betyder, at relæet kun forbliver aktivt i det øjeblik det kapacitive element bringes eller fjernes nær pladeoverfladen.

P1, P2 kan justeres for at opnå maksimal følsomhed fra den kapacitive plade
For at opnå en låsefunktion kan udgangen af ​​IC2 integreres yderligere i et flip-flop-kredsløb, hvilket gør det kapacitive nærhedssensorkredsløb ekstremt nøjagtigt og lydhørt

3) Brug af IC PCF8883

IC PCF8883 er designet til at fungere som en præcisionskapacitiv nærhedsføleromskifter gennem en unik (EDISEN-patenteret) digital teknologi til at registrere den mindste forskel i kapacitansen omkring dens specificerede sensorplade.

Hovedtræk

Hovedfunktionerne i denne specialiserede kapacitive nærhedsføler kan være undersøgelser som angivet nedenfor:

Det følgende billede viser den interne konfiguration af IC PCF8883

IC stoler ikke på det traditionelle dynamisk kapacitansfunktionstilstand detekterer snarere variationen i den statiske kapacitans ved at anvende automatisk korrektion gennem kontinuerlig automatisk kalibrering.

Sensoren er grundlæggende i form af en lille ledende folie, der kan integreres direkte med de relevante pinouts på IC'en til den tilsigtede kapacitive sensing eller måske afsluttes til længere afstande gennem koaksialkabler for at muliggøre nøjagtige og effektive fjernkapacitive nærhedsregistreringsoperationer

De følgende figurer repræsenterer pinout-detaljerne for IC PCF8883. Den detaljerede funktion af de forskellige pinouts og det indbyggede kredsløb kan forstås med følgende punkter:

Pinout-detaljer om IC PCF8883

Pinout IN, som formodes at være forbundet med den eksterne kapacitive sensorfolie, er forbundet med ICs interne RC-netværk.

Udladningstiden givet af 'tdch' af RC-nettet sammenlignes med afladningstiden for det andet in-bult RC-netværk betegnet som 'tdchimo'.

De to RC-netværk gennemgår periodisk opladning af VDD (INTREGD) gennem et par identiske og synkroniserede switchnetværk og derefter afladet ved hjælp af en modstand til Vss eller jorden

Den hastighed, hvormed denne ladningsudladning udføres, reguleres af en samplingshastighed betegnet med 'fs'.

Hvis det ses, at den potentielle forskel falder til under den internt indstillede referencespænding VM, har den tilsvarende output fra komparatoren tendens til at blive lav. Det logiske niveau, der følger komparatorerne, identificerer den nøjagtige komparator, der faktisk kunne skifte før den anden.

Og hvis den øverste komparator identificeres til at have fyret først, resulterer dette i, at en puls gengives på CUP, mens hvis den nedre komparator detekteres at have skiftet før den øvre, er pulsen aktiveret ved CDN.

Ovennævnte impulser involverer sig i styring af opladningsniveauet over den eksterne kondensator Ccpc forbundet med pin CPC. Når en puls genereres på CUP, oplades Ccpc gennem VDDUNTREGD i en given tidsperiode, hvilket udløser et stigende potentiale på Ccpc.

Helt på de samme linjer, når en puls gengives ved CDN, bliver Ccpc'en forbundet med den aktuelle vaskeanordning til jord, som afleder kondensatoren og får dens potentiale til at kollapse.

Hver gang kapacitansen ved stift IN bliver højere, øger den tilsvarende afladningstiden tdch, hvilket får spændingen over den relevante komparator til at falde på en tilsvarende længere tid. Når dette finder sted, har udgangen fra komparatoren en tendens til at blive lav, hvilket igen giver en puls ved CDN, der tvinger den eksterne kondensator CCP til at aflade i en mindre grad.

Dette indebærer, at CUP nu genererer størstedelen af ​​impulser, hvilket får CCP til at oplade endnu mere uden at gå igennem yderligere trin.

På trods af dette gør IC's automatiske spændingsstyrede kalibreringsfunktion, der er afhængig af en sinkstrømregulering 'ism' forbundet med pin IN, til at afbalancere afladningstiden tdch ved at henvise den med en internt indstillet afladningstid tdcmef.

Spændingen over Ccpg er strømstyret og bliver ansvarlig for afladningen af ​​kapacitansen på IN temmelig hurtigt, når potentialet på tværs af CCP opdages at være stigende. Dette afbalancerer perfekt den stigende kapacitans på input pin IN.

Denne effekt giver anledning til et lukket kredsløbssporingssystem, der kontinuerligt overvåger og indgår i en automatisk udjævning af afladningstiden tdch med henvisning til tdchlmf.

Dette hjælper med at korrigere trage variationer i kapacitans på tværs af IN pinout af IC. Under hurtigopladningssæt, f.eks. Når en menneskelig finger nærmer sig sensingfolien hurtigt, kan den diskuterede kompensation muligvis ikke udspille sig, under ligevægtsbetingelser adskiller længden af ​​udladningsperioden sig ikke, hvilket får pulsen skiftevis til at svinge over CUP og CDN.

Dette indebærer yderligere, at der med større Ccpg-værdier kan forventes en relativt begrænset spændingsvariation for hver puls for CUP eller CDN.

Derfor giver den interne strømvaske en langsommere kompensation, hvilket forbedrer følsomheden af ​​sensoren. Tværtimod, når CCP oplever et fald, får sensorfølsomheden til at gå ned.

Indbygget sensormonitor

Et indbygget tællertrin overvåger sensortriggerne og tæller tilsvarende impulser over CUP eller CDN, tælleren bliver nulstillet hver gang pulsretningen over CUP til CDN skifter eller ændres.

Udgangsstiften, der er repræsenteret som OUT, undergår kun en aktivering, når detekteres tilstrækkeligt antal impulser over CUP eller CDN. Beskedne niveauer af interferens eller langsomme interaktioner på tværs af sensoren eller indgangskapacitansen har ingen effekt på udløsningsudløseren.

Chippen noterer sig flere forhold, såsom ulige opladnings- / afladningsmønstre, så en bekræftet outputomskiftning gengives, og falsk detektion elimineres.

Avanceret opstart

IC inkluderer et avanceret opstartskredsløb, der gør det muligt for chippen at nå ligevægt ret hurtigt, så snart forsyningen til den er tændt.

Internt er pin OUT konfigureret som et åbent afløb, der initierer pinout med en høj logik (Vdd) med et maksimum på 20mA strøm til en fastgjort belastning. Hvis output udsættes for belastninger over 30mA, afbrydes strømmen med det samme på grund af kortslutningsbeskyttelsesfunktionen, som øjeblikkeligt udløses.
Denne pinout er også CMOS-kompatibel og bliver derfor passende til alle CMOS-baserede belastninger eller kredsløbstrin.

Som tidligere nævnt vedrører samplingshastighedsparameteren 'fs' sig selv som 50% af den frekvens, der er anvendt med RC-timing-netværket. Samplingshastigheden kan indstilles på tværs af et forudbestemt interval ved korrekt at fastsætte værdien af ​​CCLIN.

En internt moduleret oscillatorfrekvens på 4% gennem et pseudo-tilfældigt signal hæmmer enhver chance for interferenser fra omgivende vekselstrømsfrekvenser.

Output State Selector Mode

IC'en har også en nyttig 'valgtilstand for outputtilstand', som kan bruges til at muliggøre output-pin til enten i monostabil eller bistabil tilstand som reaktion på den kapacitive følelse af input pinout. Det gengives på følgende måde:

Tilstand nr. 1 (TYPE aktiveret ved Vss): Outputtet gøres aktiv i sp, så længe input holdes under den eksterne kapacitive indflydelse.

Tilstand nr. 2 (TYPE aktiveret ved VDD / NTRESD): I denne tilstand tændes udgangen skiftevis TIL og FRA (høj og lav) som reaktion på efterfølgende kapacitiv interaktion på tværs af sensorfolien.

Tilstand nr. 3 (CTYPE aktiveret mellem TYPE og VSS): Med denne tilstand udløses udgangsstiften (lav) i en forudbestemt tidsperiode som reaktion på hver kapacitive sensorindgang, hvis varighed er proportional med værdien af ​​CTYPE og kan varieres med en hastighed på 2,5 ms pr. nF kapacitans.

En standardværdi for CTYPE for at komme omkring en 10ms forsinkelse i tilstand nr. 3 kan være 4,7 nF, og den maksimalt tilladte værdi for CTYPE er 470nF, hvilket kan resultere i en forsinkelse på ca. et sekund. Enhver pludselige kapacitive indgreb eller påvirkninger i denne periode ignoreres simpelthen.

Sådan bruges kredsløbet

I de følgende afsnit lærer vi en typisk kredsløbskonfiguration ved hjælp af den samme IC, som kan anvendes i alle produkter, der kræver præcisionsfjernbetjening nærhedsstimulerede operationer .

Den foreslåede kapacitive nærhedsføler kan anvendes forskelligt i mange forskellige applikationer som angivet i følgende data:

En typisk applikationskonfiguration ved hjælp af IC kan ses nedenfor:

Konfiguration af applikationskredsløb

+ -Indgangsforsyningen er tilsluttet VDD. En udjævningskondensator kan fortrinsvis være forbundet over og VDD og jord og også over VDDUNTREGD og jord for mere pålidelig bearbejdning af chippen.

Kapacitansværdien af ​​COLIN som produceret på pin CLIN fastsætter samplingshastigheden effektivt. Forøgelse af samplingshastighed kan muliggøre forbedret reaktionstid på sensorindgangen med en forholdsmæssig stigning i det aktuelle forbrug

Nærhedsfølerplade

Den sensive kapacitive sensorplade kan være i form af en miniaturemetalfolie eller plade afskærmet og isoleret med et ikke-ledende lag.

Dette sensorområde kan enten afsluttes over længere afstande via et koaksialkabel CCABLE, hvis andre ender kan være forbundet med IC'ens IN, eller pladen kan simpelthen være direkte forbundet med IC'ens INpinout afhængigt af applikationsbehovet.

IC'en er udstyret med et internt lavpasfilterkredsløb, som hjælper med at undertrykke alle former for RF-interferenser, der kan forsøge at komme ind på IC'en gennem IC'ens IN-pin.

Derudover kan man som angivet i diagrammet også tilføje en ekstern konfiguration ved hjælp af RF og CF for yderligere at forbedre RF-undertrykkelse og styrke RF-immunitet for kredsløbet.

For at opnå en optimal ydelse fra kredsløbet anbefales det, at summen af ​​kapacitansværdierne for CSENSE + CCABLE + Cp skal være inden for et givet passende interval, et godt niveau kan være omkring 30pF.

Dette hjælper kontrolsløjfen med at arbejde bedre med den statiske kapacitans over CSENSE for at udligne de ret langsommere interaktioner på den sensive kapacitive plade.

Opnå øgede kapacitive input

For at opnå et øget niveau af kapacitive indgange kan det anbefales at inkludere en supplerende modstand Rc som angivet i diagrammet, som hjælper med at kontrollere afladningstiden i henhold til specifikationerne for intern timingkrav.

Tværsnitsarealet af den vedhæftede følerplade eller en sensorfolie bliver direkte proportional med følsomheden i kredsløbet, i forbindelse med værdien af ​​kondensatoren Ccpc, kan reducerende Ccpc-værdi i høj grad påvirke følsomheden af ​​føltepladen. Derfor for at opnå en effektiv mængde følsomhed kunne Ccpc øges optimalt og i overensstemmelse hermed.

Den pinout, der er markeret med CPC, tilskrives internt med en høj impedans og kan derfor være modtagelig for lækstrømme.

Sørg for, at Ccpc er valgt med en høj kvalitet PPC af MKT-type kondensator eller X7R-type for at opnå optimal ydelse fra designet.

Arbejder ved lave temperaturer

Hvis systemet er beregnet til at blive brugt med en begrænset indgangskapacitans på op til 35pF og ved frysende temperaturer -20 grader C, kan det være tilrådeligt at bringe forsyningsspændingen til IC ned til omkring 2,8V. Dette bringer igen driftsområdet for Vlicpc-spænding, hvis specifikation ligger mellem 0,6V til VDD - 0,3V.

Desuden kan sænkning af driftsområdet for Vucpc resultere i at sænke kredsløbets inputkapacitansområde forholdsmæssigt.

Man kan også bemærke, at når Vucpc-værdien stiger med faldende temperaturer som vist i diagrammerne, hvilket fortæller os, hvorfor korrekt sænkning af forsyningsspændingen hjælper med at sænke temperaturer.

Anbefalede komponentspecifikationer

Tabel 6 og tabel 7 angiver det anbefalede interval for komponentværdier, der kan vælges passende i henhold til de ønskede applikationsspecifikationer med henvisning til ovenstående instruktioner.

Reference: https://www.nxp.com/docs/da/data-sheet/PCF8883.pdf