3 circuiti di sensori di prossimità capacitivi facili esplorati

In questo post discutiamo esaurientemente di 3 circuiti di sensori di prossimità di base con molti circuiti applicativi e caratteristiche dettagliate del circuito. I primi due circuiti del sensore di prossimità capacitivo utilizzano un semplice concetto basato su IC 741 e IC 555, mentre l'ultimo è un po 'più accurato e incorpora un design basato su IC PCF8883 di precisione

1) Utilizzando IC 741

Il circuito spiegato di seguito potrebbe essere configurato per attivare un relè o qualsiasi carico adatto come un rubinetto dell'acqua , non appena il corpo umano o la mano si avvicinano alla piastra del sensore capacitivo. Con condizioni specifiche, la prossimità della mano è sufficiente solo per attivare l'uscita del circuito.

Un ingresso ad alta impedenza è dato da Q1, che è un normale transistor ad effetto di campo come 2N3819. Un amplificatore operazionale 741 standard viene impiegato sotto forma di un interruttore di livello di tensione sensibile che successivamente pilota il buffer di corrente Q2, un transistor bipolare pnp a media corrente, attivando così il relè che può essere abituato a commutare un dispositivo, come allarmi, rubinetto ecc. .

Mentre il circuito è in condizione di standby inattivo, la tensione sul pin 3 dell'amplificatore operazionale viene fissata a un livello di tensione maggiore del pin 2 regolando opportunamente il preset VR1.

Ciò assicura che la tensione sul pin di uscita 6 sia alta, facendo sì che il transistor Q2 e il relè rimangano spenti.

Quando il dito viene portato in stretta vicinanza alla piastra del sensore o leggermente toccato, un abbassamento del bias opposto VGS aumenterà la corrente di drain del FET Q1 e la caduta risultante attraverso la tensione R1 ridurrà la tensione del pin 3 dell'amplificatore operazionale al di sotto della tensione esistente a perno 2.

Questo farà diminuire la tensione del pin 6 e di conseguenza accendere il relè tramite Q2. Il resistore R4 potrebbe essere determinato in modo che il relè sia tenuto spento in condizioni normali, considerando che una piccola tensione di offset positiva potrebbe svilupparsi sull'uscita del pin 6 dell'amplificatore operazionale anche se la tensione del pin 3 è inferiore alla tensione del pin 2 in lo stato quiescente (inattivo). Questo problema potrebbe essere risolto semplicemente aggiungendo un LED in serie alla base Q2.

2) Utilizzo di IC 555

Il post spiega un efficace circuito sensore di prossimità capacitivo basato su IC 555 che può essere utilizzato per rilevare intrusi vicino a un oggetto a prezzo come il tuo veicolo. L'idea è stata richiesta dal Sig. Max Payne.

La richiesta del circuito

Ciao Swagatam,

Si prega di pubblicare un circuito capacitivo / corpo / sensibile può essere applicato sulla bicicletta. Tale dispositivo visto sul sistema di sicurezza dell'auto, quando qualcuno si avvicina all'auto o un semplice 1 in prossimità di ch farebbe scattare l'allarme per 5 secondi.

Come funziona questo tipo di allarme, l'allarme si attiva solo quando qualcuno si avvicina (diciamo 30 cm) che tipo di sensore usa?

Schema elettrico

Cortesia dell'immagine del circuito: Elektor Electronics

Il design

Il circuito del sensore capacitivo può essere compreso con l'aiuto della seguente descrizione:

IC1 è fondamentalmente cablato come un astabile, ma senza incorporare un vero condensatore. Qui viene introdotta una piastra capacitiva che prende la posizione del condensatore necessaria per il funzionamento stabile.

Va notato che una piastra capacitiva più grande produrrà una risposta migliore e molto affidabile dal circuito.

Poiché il circuito è concepito per funzionare come un sistema di sicurezza di allarme di prossimità del corpo del veicolo, il corpo stesso potrebbe essere utilizzato come piastra capacitiva, ed essendo enorme in volume si adatterebbe abbastanza bene all'applicazione.

Una volta integrata la piastra del sensore di prossimità capacitivo, l'IC555 entra in una posizione di attesa per le azioni stabili.

Quando si rileva un elemento 'terra' molto vicino, che potrebbe essere la mano di un essere umano, la capacità richiesta viene sviluppata tra i pin2 / 6 e la massa dell'IC.

Quanto sopra si traduce in uno sviluppo istantaneo della frequenza quando l'IC inizia a oscillare nella sua modalità astabile.

Il segnale instabile viene acquisito al pin3 dell'IC che è opportunamente 'integrato' con l'aiuto di R3, R4, R5 insieme a C3 ---- C5.

Il risultato 'integrato' viene inviato a uno stadio operazionale attrezzato come comparatore.

Il comparatore formato attorno a IC2 risponde a questa variazione da IC1 e la traduce in una tensione di innesco, azionando T1 e il relativo relè.

Il relè può essere cablato con una sirena o un clacson per l'allarme richiesto.

Tuttavia si è visto praticamente che IC1 produce un impulso di tensione di picco da positivo a negativo nell'istante in cui viene rilevata una massa capacitiva vicino alla piastra.

IC2 risponde solo a questo improvviso aumento della tensione di picco per l'attivazione richiesta.

Se il corpo capacitivo continua ad essere in prossimità della piastra, la tensione di frequenza di picco sul pin3 svanisce a un livello che potrebbe non essere rilevabile da IC2, rendendolo inattivo, il che significa che il relè rimane attivo solo nell'istante in cui l'elemento capacitivo viene portato o rimosso vicino alla superficie della piastra.

P1, P2 possono essere regolati per acquisire la massima sensibilità dalla piastra capacitiva
Per ottenere un'azione di blocco, l'uscita di IC2 può essere ulteriormente integrata a un circuito flip flop, rendendo il circuito del sensore di prossimità capacitivo estremamente preciso e reattivo

3) Utilizzando IC PCF8883

L'IC PCF8883 è progettato per funzionare come un sensore di prossimità capacitivo di precisione tramite un'esclusiva tecnologia digitale (brevettata EDISEN) per rilevare la minima differenza di capacità attorno alla piastra di rilevamento specificata.

Caratteristiche principali

Le caratteristiche principali di questo sensore di prossimità capacitivo specializzato possono essere studiate come indicato di seguito:

L'immagine seguente mostra la configurazione interna dell'IC PCF8883

L'IC non si basa sul tradizionale modalità di rilevamento della capacità dinamica piuttosto rileva la variazione della capacità statica impiegando la correzione automatica tramite auto-calibrazione continua.

Il sensore è fondamentalmente sotto forma di un piccolo foglio conduttivo che può essere direttamente integrato con i piedini pertinenti dell'IC per il rilevamento capacitivo previsto o forse terminato a distanze maggiori tramite cavi coassiali per consentire operazioni di rilevamento di prossimità capacitivo remoto accurate ed efficaci

Le figure seguenti rappresentano i dettagli del pinout dell'IC PCF8883. Il funzionamento dettagliato dei vari pinout e della circuiteria incorporata può essere compreso con i seguenti punti:

Pinout Dettagli dell'IC PCF8883

Il pinout IN che dovrebbe essere collegato con il foglio di rilevamento capacitivo esterno è collegato alla rete RC interna dei circuiti integrati.

Il tempo di scarica dato da 'tdch' della rete RC viene confrontato con il tempo di scarica della seconda rete RC in-bult indicata come 'tdchimo'.

Le due reti RC passano attraverso la ricarica periodica tramite VDD (INTREGD) tramite una coppia di reti di commutazione identiche e sincronizzate, e successivamente scaricate con l'ausilio di una resistenza a Vss oa terra

La velocità con cui viene eseguita questa scarica di carica è regolata da una frequenza di campionamento indicata con 'fs'.

Nel caso in cui si vede che la differenza di potenziale scende al di sotto della tensione di riferimento VM impostata internamente, l'uscita corrispondente del comparatore tende a diventare bassa. Il livello logico che segue i comparatori identifica il comparatore esatto che effettivamente potrebbe commutare prima dell'altro.

E se si identifica che il comparatore superiore è stato attivato per primo, ciò risulta con un impulso che viene reso su CUP, mentre se si rileva che il comparatore inferiore è stato commutato prima di quello superiore, l'impulso viene abilitato su CDN.

Gli impulsi di cui sopra si impegnano a controllare il livello di carica sul condensatore esterno Ccpc associato al pin CPC. Quando viene generato un impulso su CUP, il Ccpc viene caricato tramite VDDUNTREGD per un determinato periodo di tempo che innesca un potenziale crescente su Ccpc.

Più o meno sulla stessa linea, quando viene eseguito il rendering di un impulso su CDN, il Ccpc viene collegato al dispositivo di assorbimento di corrente a terra che scarica il condensatore provocandone il potenziale collasso.

Ogni volta che la capacità sul pin IN aumenta, aumenta corrispondentemente il tempo di scarica tdch, il che fa sì che la tensione ai capi del relativo comparatore diminuisca in un tempo corrispondentemente più lungo. Quando ciò avviene, l'uscita del comparatore tende ad abbassarsi, il che a sua volta genera un impulso al CDN costringendo il condensatore esterno CCP a scaricarsi in misura minore.

Ciò implica che CUP ora genera la maggior parte degli impulsi che fanno sì che CCP si carichi ancora di più senza passare attraverso ulteriori passaggi.

Nonostante ciò, la funzione di calibrazione automatica controllata dalla tensione dell'IC che si basa su un 'ismo' di regolazione della corrente di caduta associata al pin IN fa uno sforzo per bilanciare il tempo di scarica tdch riferendolo a un tempo di scarica impostato internamente tdcmef.

La tensione su Ccpg è controllata in corrente e diventa responsabile della scarica della capacità su IN piuttosto rapidamente ogni volta che viene rilevato un aumento del potenziale su CCP. Questo bilancia perfettamente la capacità crescente sul pin di ingresso IN.

Questo effetto dà luogo ad un sistema di tracciamento a circuito chiuso che monitora continuamente e si impegna in una equalizzazione automatica del tempo di scarica tdch con riferimento a tdchlmf.

Ciò aiuta a correggere le lente variazioni di capacità attraverso la piedinatura IN dell'IC. Durante gli stati di carica rapida, ad esempio, quando un dito umano si avvicina rapidamente alla lamina di rilevamento, la compensazione discussa potrebbe non avvenire, in condizioni di equilibrio la durata del periodo di scarica non differisce causando una fluttuazione alternata dell'impulso tra CUP e CDN.

Ciò implica inoltre che con valori Ccpg maggiori è possibile prevedere una variazione di tensione relativamente limitata per ciascun impulso per CUP o CDN.

Pertanto il dissipatore di corrente interno dà luogo a una compensazione più lenta, migliorando così la sensibilità del sensore. Al contrario, quando CCP subisce una diminuzione, la sensibilità del sensore diminuisce.

Monitor sensore integrato

Uno stadio contatore integrato monitora i trigger del sensore e di conseguenza conta gli impulsi attraverso CUP o CDN, il contatore viene azzerato ogni volta che la direzione dell'impulso attraverso il CUP verso CDN si alterna o cambia.

Il pin di uscita rappresentato come OUT subisce un'attivazione solo quando viene rilevato un numero adeguato di impulsi attraverso CUP o CDN. Livelli modesti di interferenza o interazioni lente attraverso il sensore o la capacità di ingresso non producono alcun effetto sull'attivazione dell'uscita.

Il chip prende nota di diverse condizioni come modelli di carica / scarica disuguali in modo che venga resa una commutazione di uscita confermata e il rilevamento spurio venga eliminato.

Avvio avanzato

L'IC include un circuito di avvio avanzato che consente al chip di raggiungere l'equilibrio piuttosto rapidamente non appena l'alimentazione viene attivata.

Internamente il pin OUT è configurato come un drain aperto che avvia il pinout con una logica alta (Vdd) con una corrente massima di 20mA per un carico collegato. Nel caso in cui l'uscita sia soggetta a carichi superiori a 30mA, l'alimentazione viene immediatamente scollegata a causa della funzione di protezione da cortocircuito che si attiva istantaneamente.
Questo pinout è anche compatibile CMOS e quindi diventa appropriato per tutti i carichi basati su CMOS o stadi di circuito.

Come accennato in precedenza, il parametro della frequenza di campionamento 'fs' si riferisce al 50% della frequenza impiegata con la rete di temporizzazione RC. La frequenza di campionamento può essere impostata su un intervallo predeterminato fissando opportunamente il valore di CCLIN.

Una frequenza dell'oscillatore modulata internamente al 4% attraverso un segnale pseudo-casuale inibisce ogni possibilità di interferenze dalle frequenze CA circostanti.

Modalità selettore dello stato di uscita

L'IC dispone anche di un'utile 'modalità di selezione dello stato di uscita' che può essere utilizzata per abilitare il pin di uscita nello stato monostabile o bistabile in risposta al rilevamento capacitivo del pinout di ingresso. Viene visualizzato nel modo seguente:

Modalità # 1 (TYPE abilitato a Vss): L'uscita è resa attiva per sp fintanto che l'ingresso è mantenuto sotto l'influenza capacitiva esterna.

Modalità # 2 (TYPE abilitato su VDD / NTRESD): in questa modalità l'uscita viene alternativamente attivata e disattivata (alta e bassa) in risposta alla successiva interazione capacitiva attraverso la pellicola del sensore.

Modalità # 3 (CTYPE abilitato tra TYPE e VSS): con questa condizione il pin di uscita viene attivato (basso) per un periodo di tempo predeterminato in risposta a ciascun ingresso di rilevamento capacitivo, la cui durata è proporzionale al valore di CTYPE e può essere variata con una velocità di 2,5 ms per capacità nF.

Un valore standard per CTYPE per aggirare un ritardo di 10 ms nella modalità n. 3 potrebbe essere 4,7 nF e il valore massimo consentito per CTYPE essere 470 nF, il che potrebbe comportare un ritardo di circa un secondo. Qualsiasi intervento o influenza capacitiva improvvisa durante questo periodo viene semplicemente ignorato.

Come utilizzare il circuito

Nelle sezioni seguenti apprendiamo una tipica configurazione del circuito utilizzando lo stesso IC che può essere applicato a tutti i prodotti che richiedono un telecomando di precisione operazioni stimolate dalla prossimità .

Il sensore di prossimità capacitivo proposto può essere variamente utilizzato in molte applicazioni differenti come indicato nei seguenti dati:

Di seguito è possibile vedere una tipica configurazione dell'applicazione che utilizza l'IC:

Configurazione del circuito dell'applicazione

L'alimentazione di ingresso + è allegata al VDD. Un condensatore di livellamento può essere preferibilmente collegato attraverso e VDD e terra e anche attraverso VDDUNTREGD e terra per un funzionamento più affidabile del chip.

Il valore di capacità di COLIN come prodotto sul pin CLIN fissa efficacemente la frequenza di campionamento. L'aumento della velocità di campionamento può consentire di migliorare il tempo di reazione sull'ingresso di rilevamento con un aumento proporzionale del consumo di corrente

Piastra del sensore di prossimità

La piastra di rilevamento capacitiva di rilevamento potrebbe essere sotto forma di una lamina metallica in miniatura o di una piastra schermata e isolata con uno strato non conduttivo.

Questa area di rilevamento potrebbe essere terminata su distanze maggiori tramite un cavo coassiale CCABLE le cui altre estremità possono essere collegate con l'IN dell'IC, oppure la piastra potrebbe essere semplicemente collegata direttamente con l'INpinout dell'IC a seconda delle esigenze dell'applicazione.

L'IC è dotato di un circuito di filtro passa basso interno che aiuta a sopprimere tutte le forme di interferenze RF che possono tentare di entrare nell'IC attraverso il pin IN dell'IC.

Inoltre, come indicato nel diagramma, è anche possibile aggiungere una configurazione esterna utilizzando RF e CF per migliorare ulteriormente la soppressione RF e rafforzare l'immunità RF per il circuito.

Per ottenere una prestazione ottimale dal circuito, si raccomanda che la somma dei valori di capacità di CSENSE + CCABLE + Cp sia all'interno di un dato intervallo appropriato, un buon livello potrebbe essere intorno a 30pF.

Questo aiuta il circuito di controllo a lavorare in un modo migliore con la capacità statica su CSENSE per equalizzare le interazioni piuttosto lente sulla piastra capacitiva di rilevamento.

Ottieni maggiori input capacitivi

Per ottenere livelli maggiori di ingressi capacitivi si consiglia di includere una resistenza supplementare Rc come indicato nel diagramma che aiuta a controllare il tempo di scarica secondo le specifiche dei requisiti di temporizzazione interni.

L'area della sezione trasversale della piastra di rilevamento collegata o di una lamina di rilevamento diventa direttamente proporzionale alla sensibilità del circuito, in combinazione con il valore del condensatore Ccpc, riducendo il valore di Ccpc può influire notevolmente sulla sensibilità della piastra di rilevamento. Pertanto, per ottenere una quantità effettiva di sensibilità, Ccpc potrebbe essere aumentato in modo ottimale e di conseguenza.

La piedinatura contrassegnata con CPC è internamente attribuita ad un'alta impedenza e quindi potrebbe essere suscettibile alle correnti di dispersione.

Assicurati che Ccpc sia scelto con un PPC di alta qualità di tipo MKT di condensatore o tipo X7R per ottenere prestazioni ottimali dal progetto.

Funzionamento a basse temperature

Nel caso in cui il sistema sia destinato a funzionare con una capacità di ingresso limitata fino a 35 pF e a temperature di congelamento -20 ° C, potrebbe essere consigliabile ridurre la tensione di alimentazione all'IC a circa 2,8V. Questo a sua volta riduce il range operativo della tensione Vlicpc la cui specifica è compresa tra 0,6 V e VDD - 0,3 V.

Inoltre, l'abbassamento dell'intervallo operativo di Vucpc potrebbe comportare una riduzione proporzionale dell'intervallo della capacità di ingresso del circuito.

Inoltre, si può notare che all'aumentare del valore di Vucpc al diminuire della temperatura, come dimostrato nei diagrammi, il che ci spiega perché abbassare adeguatamente la tensione di alimentazione aiuta a diminuire le temperature.

Specifiche dei componenti consigliate

La Tabella 6 e la Tabella 7 indicano l'intervallo consigliato dei valori dei componenti che possono essere opportunamente scelti secondo le specifiche applicative desiderate con riferimento alle istruzioni di cui sopra.

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