En aquest post discutim exhaustivament sobre 3 circuits bàsics de sensors de proximitat amb molts circuits d’aplicació i característiques detallades del circuit. Els dos primers circuits de sensor capacitiu de proximitat utilitzen conceptes senzills basats en IC 741 i IC 555, mentre que l’últim és una mica més precís i incorpora un disseny basat en IC PCF8883 de precisió
1) Utilitzant IC 741
El circuit que s’explica a continuació es podria configurar per activar un relé o qualsevol càrrega adequada com ara aixeta d'aigua , tan aviat com el cos o la mà humana s’acosta a la placa del sensor capacitiu. Amb condicions específiques, la proximitat de la mà només és suficient per activar la sortida del circuit.
Una entrada d’alta impedància és donada per Q1, que és un transistor d’efecte de camp regular com el 2N3819. Un amplificador operatiu estàndard de 741 s’utilitza en forma d’un commutador de nivell de tensió sensible que posteriorment acciona el buffer de corrent Q2, un transistor bipolar pnp de corrent mitjà, activant així el relé que pot estar acostumat a canviar un dispositiu, com ara alarmes, aixeta, etc. .
Mentre el circuit es troba en estat d’espera, el voltatge del pin 3 de l’amplificador operatiu es fixa a un nivell de voltatge superior al pin 2 ajustant adequadament el VR1 preestablert.
Això assegura que la tensió del pin de sortida 6 sigui elevada, provocant que el transistor Q2 i el relé continuïn apagats.
Quan el dit s’acosta a la placa del sensor o es toca lleugerament, una disminució del biaix oposat VGS augmentarà el corrent de drenatge del FET Q1 i la caiguda resultant de la tensió R1 reduirà el voltatge del pin 3 de l’ampli operatiu per sota de la tensió existent a pin 2.
Això farà que la tensió del pin 6 caigui i, en conseqüència, engegueu el relé mitjançant Q2. Es pot determinar la resistència R4 per tal que el relé es mantingui apagat en condicions normals, tenint en compte que es pot desenvolupar un petit voltatge positiu de sortida a la sortida del pin 6 op amplificador encara que el voltatge del pin 3 sigui inferior al voltatge del pin 2 a l'estat de repòs (inactiu). Aquest problema es podria solucionar simplement afegint un LED en sèrie amb la base Q2.
2) Utilitzant IC 555
El missatge explica un circuit de sensor capacitiu de proximitat basat en IC 555 eficaç que es pot utilitzar per detectar intrusos a prop d’un objecte de preu com el vostre vehicle. La idea va ser sol·licitada pel Sr. Max Payne.
La sol·licitud de circuit
Hola Swagatam,
Envieu un circuit capacitiu / corporal / sensible que es pot aplicar a la bicicleta. Aquest dispositiu es pot veure al sistema de seguretat del cotxe, quan algú s’acosta al cotxe o un simple 1 en proximitat desencadenaria l’alarma durant 5 segons.
Com funciona aquest tipus d’alarma, l’alarma només s’activa quan algú s’acosta (diguem 30 cm), quin tipus de sensor utilitzen?
Esquema de connexions
Cortesia de la imatge del circuit: Elektor Electronics
El disseny
El circuit del sensor capacitiu es pot entendre amb l'ajut de la següent descripció:
IC1 es basa bàsicament en un cable assequible, però sense incorporar un condensador real. Aquí s'introdueix una placa capacitiva i pren la posició del condensador necessària per a l'operació astable.
Cal tenir en compte que una placa capacitiva més gran produirà una resposta millor i molt fiable del circuit.
Atès que el circuit està dissenyat per funcionar com un sistema de seguretat d'alerta de proximitat del cos del vehicle, el propi cos es podria utilitzar com a placa capacitiva, i el fet de ser enorme per volum s'adaptaria força bé a l'aplicació.
Un cop integrada la placa del sensor de proximitat capacitiva, l'IC555 es troba en una posició d'espera per a les accions astables.
En detectar un element de “terra” a prop, que podria ser la mà d’un ésser humà, es desenvolupa la capacitat necessària a través del pin2 / 6 i el sòl de l’IC.
L'anterior resulta en un desenvolupament instantani de freqüència a mesura que l'IC comença a oscil·lar en el seu mode astable.
El senyal astable s’adquireix al pin3 de l’IC que s’integra adequadament amb l’ajut de R3, R4, R5 juntament amb C3 ---- C5.
El resultat 'integrat' s'alimenta a un escenari opamp equipat com a comparador.
El comparador format al voltant d’IC2 respon a aquest canvi d’IC1 i el tradueix en una tensió d’activació, en funcionament de T1 i del relé corresponent.
El relé es pot connectar amb una sirena o una trompa per a l’alarma necessària.
Tanmateix, s'ha vist pràcticament que IC1 produeix un impuls màxim de tensió positiva a negativa en el moment en què es detecta una terra caapcitiva a prop de la placa.
IC2 respon únicament a aquesta pujada sobtada del voltatge màxim per al desencadenament requerit.
Si el cos capacitiu continua a la proximitat de la placa, la tensió màxima de freqüència en el pin3 desapareix fins a un nivell que pot ser indetectable per IC2, fent-lo inactiu, el que significa que el relé es manté actiu només en el moment que es porta l'element capacitiu. o eliminat a prop de la superfície de la placa.
P1, P2 es poden ajustar per obtenir la màxima sensibilitat de la placa capacitiva
Per obtenir una acció de bloqueig, la sortida d’IC2 es pot integrar encara més a un circuit de xancles, cosa que fa que el circuit del sensor capacitiu de proximitat sigui extremadament precís i sensible.
3) Utilitzant IC PCF8883
L'IC PCF8883 està dissenyat per funcionar com un commutador de sensor capacitiu de proximitat de precisió mitjançant una tecnologia digital única (patentada per EDISEN) per detectar la mínima diferència en la capacitat al voltant de la seva placa de detecció especificada.
Principals característiques
Les principals característiques d’aquest sensor capacitiu de proximitat especialitzat es poden estudiar a continuació:
La imatge següent mostra la configuració interna de l'IC PCF8883
La CI no depèn del tradicional mode de detecció de capacitat dinàmica més aviat detecta la variació de la capacitat estàtica mitjançant la correcció automàtica mitjançant un autocalibratge continu.
El sensor té bàsicament la forma d’una petita làmina conductora que es pot integrar directament amb els pinouts rellevants de l’IC per a la detecció capacitiva prevista o potser finalitzada a distàncies més llargues mitjançant cables coaxials per permetre operacions de detecció capacitiva de proximitat precises i efectives.
Les figures següents representen els detalls detallats de l'IC PCF8883. El funcionament detallat dels diversos pinouts i els circuits integrats es pot entendre amb els punts següents:
Detalls de pinout de l'IC PCF8883
El pinout IN que se suposa que està connectat amb la làmina de detecció capacitiva externa està relacionat amb la xarxa RC interna de CI.
El temps de descàrrega donat per 'tdch' de la xarxa RC es compara amb el temps de descàrrega de la segona xarxa RC in-bult denominada 'tdchimo'.
Les dues xarxes RC passen per una càrrega periòdica per VDD (INTREGD) a través d'un parell de xarxes de commutadors idèntiques i sincronitzades, i posteriorment es descarreguen amb l'ajut d'una resistència a Vss o a terra.
La velocitat a la qual s'executa aquesta descàrrega de càrrega està regulada per una taxa de mostreig denotada per 'fs'.
En el cas que es vegi que la diferència de potencial baixa per sota de la tensió de referència establerta internament VM, la sortida corresponent del comparador tendeix a ser baixa. El nivell lògic que segueix els comparadors identifica el comparador exacte que realment podria canviar abans que l’altre.
I si s’identifica que el comparador superior s’ha disparat primer, es produeix un impuls a CUP, mentre que si es detecta que el comparador inferior ha canviat abans que el superior, el pols s’activa a CDN.
Els polsos anteriors participen en el control del nivell de càrrega sobre el condensador extern Ccpc associat al pin CPC. Quan es genera un impuls a CUP, el Ccpc es carrega a través de VDDUNTREGD durant un període de temps determinat que desencadena un potencial creixent a Ccpc.
En les mateixes línies, quan es fa un impuls a CDN, el Ccpc s’uneix amb el dispositiu d’enfonsament actual a terra que descarrega el condensador i provoca el col·lapse del seu potencial.
Sempre que la capacitat al pin IN augmenta, augmenta el temps de descàrrega tdch, cosa que fa que la tensió del comparador corresponent caigui en un temps corresponentment més llarg. Quan això es produeix, la sortida del comparador tendeix a baixar, cosa que al seu torn produeix un impuls a CDN obligant el condensador extern CCP a descarregar-se en menor grau.
Això implica que CUP ara genera la majoria dels impulsos, cosa que fa que el PCC es carregui encara més sense passar per cap altre pas.
Malgrat això, la funció de calibratge controlat per tensió automàtica de l’IC que depèn d’una regulació de corrent de pica “ism” associada al pin IN fa un esforç per equilibrar el temps de descàrrega tdch referint-lo a un temps de descàrrega ajustat internament tdcmef.
El voltatge a través de Ccpg està controlat per corrent i es fa responsable de la descàrrega de la capacitat a IN bastant ràpidament cada vegada que es detecta que el potencial a través de CCP augmenta. Això equilibra perfectament l'augment de la capacitat del pin d'entrada IN.
Aquest efecte dóna lloc a un sistema de seguiment de llaç tancat que controla contínuament i participa en una igualació automàtica del temps de descàrrega tdch amb referència a tdchlmf.
Això ajuda a corregir variacions lentes de la capacitat a través del pinout IN del CI. Durant els estats de càrrega ràpida, per exemple, quan un dit humà s’acosta ràpidament a la làmina de detecció, és possible que la compensació discutida no transcorri, en condicions d’equilibri la durada del període de descàrrega no difereix fent que el pols fluctue alternativament entre CUP i CDN.
Això implica, a més, que amb valors Ccpg més grans es pot esperar una variació de voltatge relativament restringida per a cada impuls per a CUP o CDN.
Per tant, el disipador de corrent intern dóna lloc a una compensació més lenta, millorant així la sensibilitat del sensor. Per contra, quan el PCC experimenta una disminució, fa que la sensibilitat del sensor disminueixi.
Monitor de sensor integrat
Un escenari de comptador integrat supervisa els activadors del sensor i, en conseqüència, compta els impulsos a través de CUP o CDN, el comptador es reinicia cada vegada que la direcció de pols a través de la CUP a CDN alterna o canvia.
El pin de sortida representat com a OUT només experimenta una activació quan es detecta un nombre adequat de polsos a través de CUP o CDN. Els nivells més baixos d’interferència o les interaccions lentes entre el sensor o la capacitat d’entrada no produeixen cap efecte en l’activació de la sortida.
El xip pren nota de diverses condicions, com ara patrons de càrrega / descàrrega desiguals, de manera que es produeix un canvi de sortida confirmat i s’elimina la detecció falsa.
Posada en marxa avançada
L'IC inclou un avançat circuit de posada en marxa que permet que el xip assoleixi l'equilibri amb rapidesa tan aviat com el subministrament s'encengui.
Internament, el pin OUT es configura com un drenatge obert que inicia el pinout amb una lògica elevada (Vdd) amb un màxim de 20 mA de corrent per a una càrrega adjunta. En cas que la sortida se sotmeti a càrregues superiors a 30 mA, el subministrament es desconnecta instantàniament a causa de la característica de protecció contra el curtcircuit que s'activa instantàniament.
Aquest pinout també és compatible amb CMOS i, per tant, es fa adequat per a totes les càrregues o etapes de circuits basades en CMOS.
Com s'ha esmentat anteriorment, el paràmetre de freqüència de mostreig 'fs' es relaciona amb el 50% de la freqüència emprada amb la xarxa de temporització RC. La taxa de mostreig es pot establir en un interval predeterminat fixant adequadament el valor de CCLIN.
Una freqüència oscil·ladora modulada internament al 4% mitjançant un senyal pseudo-aleatori inhibeix qualsevol possibilitat d’interferències de les freqüències de CA que l’envolten.
Mode de selecció d'estat de sortida
L'IC també disposa d'un útil 'mode de selecció d'estats de sortida' que es pot utilitzar per permetre que el pin de sortida estigui monoestable o bistable en resposta a la detecció capacitiva del pinout d'entrada. Es renderitza de la manera següent:
Mode # 1 (TIPUS habilitat a Vss): la sortida es torna activa durant sp mentre l'entrada es mantingui sota la influència capacitiva externa.
Mode # 2 (TIPUS habilitat a VDD / NTRESD): en aquest mode, la sortida s’activa i s’activa alternativament (alt i baix) en resposta a la interacció capacitiva posterior a través de la làmina del sensor.
Mode # 3 (CTYPE activat entre TYPE i VSS): Amb aquesta condició, el pin de sortida s'activa (baix) durant un temps predeterminat en resposta a cada entrada de detecció capacitiva, la durada del qual és proporcional al valor de CTYPE i es pot variar amb una velocitat de 2,5 ms per nF de capacitat.
Un valor estàndard per a CTYPE per obtenir un retard de 10 ms en el mode # 3 podria ser de 4,7 nF, i el valor màxim permès per a CTYPE és de 470 nF, que pot resultar amb un retard d’aproximadament un segon. Simplement s’ignora qualsevol intervenció o influència capacitiva abrupta durant aquest període.
Com utilitzar el circuit
A les següents seccions aprenem una configuració de circuit típica amb el mateix CI que es pot aplicar a tots els productes que requereixen control remot de precisió operacions estimulades per la proximitat .
El sensor capacitiu de proximitat proposat es pot utilitzar de manera diversa en moltes aplicacions diferents, tal com s’indica a les dades següents:
A continuació es pot veure una configuració d’aplicació típica que utilitza l’IC:
Configuració del circuit d'aplicacions
El subministrament d'entrada + està connectat amb el VDD. Un condensador de suavització es pot connectar preferentment a través de VDD i terra i també a través de VDDUNTREGD i terra per a un treball més fiable del xip.
El valor de la capacitat de COLIN produït al pin CLIN fixa la taxa de mostreig de manera efectiva. L’augment de la freqüència de mostreig pot permetre millorar el temps de reacció a l’entrada de detecció amb un augment proporcional del consum actual
Placa del sensor de proximitat
La placa sensible capacitiva de detecció podria tenir la forma d’una làmina o placa metàl·lica en miniatura protegida i aïllada amb una capa no conductora.
Aquesta àrea de detecció es podria acabar a distàncies més llargues mitjançant un cable coaxial CCABLE els altres extrems de la qual es poden connectar amb l’IN del CI, o bé la placa es podria connectar directament amb l’entrada IN del CI segons les necessitats de l’aplicació.
El CI està equipat amb un circuit intern de filtre de pas baix que ajuda a suprimir totes les formes d’interferències de RF que poden intentar accedir a l’IC a través del pin IN de l’IC.
A més, tal com s’indica al diagrama, també es pot afegir una configuració externa mitjançant RF i CF per millorar encara més la supressió de RF i reforçar la immunitat de RF del circuit.
Per tal d’aconseguir un rendiment òptim des del circuit, es recomana que la suma dels valors de capacitat de CSENSE + CCABLE + Cp estigui dins d’un rang adequat donat, un bon nivell podria rondar els 30pF.
Això ajuda a que el bucle de control funcioni d’una manera millor amb la capacitat estàtica sobre CSENSE per igualar les interaccions bastant més lentes a la placa capacitiva de detecció.
Aconseguir augmentar les entrades capacitives
Per aconseguir un augment dels nivells d’entrades capacitives, es pot recomanar incloure una resistència Rc suplementària tal com s’indica al diagrama que ajuda a controlar el temps de descàrrega segons les especificacions de requisits de temporització interna.
L’àrea de secció transversal de la placa de detecció adjunta o d’una làmina de detecció esdevé directament proporcional a la sensibilitat del circuit, juntament amb el valor del condensador Ccpc, la reducció del valor de Ccpc pot afectar en gran mesura la sensibilitat de la placa de detecció. Per tant, per aconseguir una quantitat efectiva de sensibilitat, es pot augmentar Ccpc de forma òptima i conseqüent.
El pinout marcat CPC s’atribueix internament amb una impedància elevada i, per tant, pot ser susceptible de corrents de fuita.
Assegureu-vos que Ccpc es triï amb un PPC d'alta qualitat de tipus MKT de condensador o tipus X7R per obtenir un rendiment òptim del disseny.
Funcionant a baixes temperatures
En cas que es vulgui que el sistema funcioni amb una capacitat d’entrada restringida de fins a 35pF i a temperatures de congelació -20 graus C, pot ser aconsellable reduir la tensió d’alimentació a l’IC a uns 2,8V. Al seu torn, redueix el rang de funcionament de la tensió Vlicpc, l’especificació de la qual es troba entre 0,6 V i VDD - 0,3V.
A més, reduir el rang de funcionament de Vucpc podria provocar una reducció proporcional del rang de capacitat d’entrada del circuit.
A més, es pot notar que a mesura que el valor de Vucpc augmenta amb la disminució de les temperatures, tal com es demostra als diagrames, el que ens indica per què baixar adequadament la tensió d’alimentació ajuda a disminuir les temperatures.
Especificacions de components recomanades
La taula 6 i la taula 7 indiquen l’interval recomanat dels valors dels components que es poden triar adequadament segons les especificacions de l’aplicació desitjades amb referència a les instruccions anteriors.
Referència: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8883.pdf
Anterior: UPS Sinewave que utilitza PIC16F72 Següent: Els millors circuits de controlador de càrrega solar de 3 MPPT per a una càrrega eficient de la bateria
