3 Rangkaian Sensor Jarak Kapasitif yang Mudah Dijelajahi

Dalam posting ini kami secara komprehensif membahas 3 rangkaian sensor proximity dasar dengan banyak rangkaian aplikasi dan fitur rinci rangkaian. Dua rangkaian sensor jarak kapasitif pertama menggunakan konsep berbasis IC 741 dan IC 555 sederhana, sedangkan yang terakhir sedikit lebih akurat dan menggabungkan desain berbasis IC presisi PCF8883

1) Menggunakan IC 741

Sirkuit yang dijelaskan di bawah ini dapat dikonfigurasi untuk mengaktifkan relai atau beban yang sesuai seperti a kran air ledeng , segera setelah tubuh atau tangan manusia mendekati pelat sensor kapasitif. Dengan kondisi tertentu, jarak tangan hanya cukup untuk memicu keluaran rangkaian.

Input impedansi tinggi diberikan oleh Q1, yang merupakan transistor efek medan biasa seperti 2N3819. Op amp standar 741 digunakan dalam bentuk sakelar level tegangan sensitif yang kemudian menggerakkan buffer arus Q2, transistor bipolar pnp arus sedang, sehingga mengaktifkan relai yang mungkin digunakan untuk mengganti perangkat, seperti alarm, faucet, dll. .

Saat rangkaian dalam kondisi siaga idle, tegangan pada pin 3 op amp ditetapkan lebih besar dari level tegangan pin 2 dengan menyesuaikan VR1 preset dengan tepat.

Ini memastikan bahwa tegangan pada pin output 6 akan tinggi menyebabkan transistor Q2 dan relai tetap mati.

Ketika jari didekatkan ke pelat sensor atau bersentuhan ringan, penurunan bias berlawanan VGS akan meningkatkan arus drain FET Q1 dan penurunan tegangan R1 yang dihasilkan akan mengurangi tegangan op amp pin 3 di bawah tegangan yang ada di pin 2.

Ini akan mengakibatkan tegangan pin 6 turun dan akibatnya menyalakan relai melalui Q2. Resistor R4 dapat ditentukan agar relai tetap OFF dalam kondisi normal, mengingat tegangan set positif kecil yang mati dapat berkembang pada output op amp pin 6 bahkan jika tegangan pin 3 kebetulan lebih rendah dari tegangan pin 2 di status diam (diam). Masalah ini dapat diatasi hanya dengan menambahkan LED secara seri dengan basis Q2.

2) Menggunakan IC 555

Posting tersebut menjelaskan rangkaian sensor proximity kapasitif berbasis IC 555 yang efektif yang dapat digunakan untuk mendeteksi penyusup di dekat objek berharga seperti kendaraan Anda. Ide tersebut diminta oleh Mr. Max Payne.

Permintaan Sirkuit

Halo Swagatam,

Silakan Pasang Sirkuit Kapasitif / Tubuh / Sensitif dapat diterapkan pada sepeda. Alat seperti itu terlihat pada sistem keamanan mobil, Ketika seseorang mendekati mobil atau jarak dekat yang sederhana akan memicu alarm selama 5 detik.

Bagaimana jenis alarm ini bekerja, alarm hanya terpicu ketika seseorang mendekat (katakanlah 30cm) jenis sensor apa yang mereka gunakan?

Diagram Sirkuit

Gambar Sirkuit Courtesy: Elektor Electronics

Desain

Rangkaian sensor kapasitif dapat dipahami dengan bantuan uraian berikut:

IC1 pada dasarnya dihubungkan dengan kabel sebagai astabil, tetapi tanpa menggunakan kapasitor asli. Di sini pelat kapasitif dimasukkan dan mengambil posisi kapasitor yang diperlukan untuk operasi astabil.

Perlu dicatat bahwa pelat kapasitif yang lebih besar akan menghasilkan respons yang lebih baik dan lebih andal dari rangkaian.

Karena sirkuit ini dimaksudkan untuk bekerja sebagai sistem keamanan peringatan kedekatan badan kendaraan, bodi itu sendiri dapat digunakan sebagai pelat kapasitif, dan volumenya yang besar akan sesuai dengan penerapannya dengan cukup baik.

Setelah pelat sensor jarak kapasitif terintegrasi, IC555 masuk ke posisi siaga untuk aksi astabil.

Saat mendeteksi elemen 'ground' pada jarak dekat, yang mungkin merupakan tangan manusia, kapasitansi yang diperlukan dikembangkan di pin2 / 6 dan ground IC.

Hasil di atas dalam perkembangan frekuensi seketika saat IC mulai berosilasi dalam mode astabil.

Sinyal astabil diperoleh di pin3 dari IC yang secara tepat 'terintegrasi' dengan bantuan R3, R4, R5 bersama dengan C3 ---- C5.

Hasil 'terintegrasi' diumpankan ke tahap opamp yang dipasang sebagai pembanding.

Komparator yang dibentuk di sekitar IC2 menanggapi perubahan ini dari IC1 dan menerjemahkannya menjadi tegangan pemicu, mengoperasikan T1 dan relai yang sesuai.

Relai dapat disambungkan dengan sirene atau klakson untuk kebutuhan yang mengkhawatirkan.

Namun terlihat secara praktis bahwa IC1 menghasilkan pulsa tegangan positif ke negatif puncak pada saat tanah kapasitif terdeteksi di dekat pelat.

IC2 hanya menanggapi kenaikan tiba-tiba ini pada tegangan puncak untuk pemicuan yang diperlukan.

Jika benda kapasitif terus berada di dekat pelat, tegangan frekuensi puncak pada pin3 menghilang ke tingkat yang mungkin tidak dapat dideteksi oleh IC2, membuatnya tidak aktif, yang berarti relai tetap aktif hanya pada saat elemen kapasitif dibawa. atau dilepas di dekat permukaan pelat.

P1, P2 dapat disetel untuk memperoleh sensitivitas maksimum dari pelat kapasitif
Untuk mendapatkan aksi latching, output IC2 dapat diintegrasikan lebih lanjut ke sirkuit flip flop, membuat rangkaian sensor jarak kapasitif sangat akurat dan responsif.

3) Menggunakan IC PCF8883

IC PCF8883 dirancang untuk bekerja seperti sakelar sensor jarak kapasitif presisi melalui teknologi digital unik (dipatenkan EDISEN) untuk merasakan perbedaan terkecil dalam kapasitansi di sekitar pelat penginderaan yang ditentukan.

Fitur utama

Fitur utama dari sensor jarak kapasitif khusus ini dapat dipelajari seperti yang diberikan di bawah ini:

Gambar berikut menunjukkan konfigurasi internal IC PCF8883

IC tidak bergantung pada tradisional mode penginderaan kapasitansi dinamis melainkan mendeteksi variasi dalam kapasitansi statis dengan menggunakan koreksi otomatis melalui kalibrasi otomatis yang berkelanjutan.

Sensor pada dasarnya dalam bentuk foil konduktif kecil yang dapat langsung terintegrasi dengan pinout IC yang relevan untuk penginderaan kapasitif yang dimaksudkan atau mungkin diakhiri ke jarak yang lebih jauh melalui kabel koaksial untuk memungkinkan operasi penginderaan jarak jauh kapasitif yang akurat dan efektif.

Gambar berikut ini mewakili detail pinout dari IC PCF8883. Fungsi terperinci dari berbagai pinout dan sirkuit built-in dapat dipahami dengan poin-poin berikut:

Rincian Pinout dari IC PCF8883

Pinout IN yang seharusnya dihubungkan dengan foil penginderaan kapasitif eksternal dihubungkan dengan jaringan RC internal IC.

Waktu pelepasan yang diberikan oleh 'tdch' dari jaringan RC dibandingkan dengan waktu pelepasan dari jaringan RC bult kedua yang dilambangkan sebagai 'tdchimo'.

Kedua jaringan RC melalui pengisian berkala oleh VDD (INTREGD) melalui beberapa jaringan sakelar yang identik dan tersinkronisasi, dan kemudian dilepaskan dengan bantuan resistor ke Vss atau ground

Laju pelepasan muatan ini dilakukan diatur oleh laju sampling yang dilambangkan dengan 'fs'.

Dalam kasus jika perbedaan potensial terlihat turun di bawah VM tegangan referensi yang ditetapkan secara internal, output yang sesuai dari komparator cenderung menjadi rendah. Tingkat logika yang mengikuti pembanding mengidentifikasi pembanding yang tepat yang sebenarnya dapat beralih sebelum yang lain.

Dan jika pembanding atas diidentifikasi telah menembak terlebih dahulu, ini menghasilkan pulsa yang diberikan pada CUP, sedangkan jika pembanding yang lebih rendah terdeteksi telah beralih sebelum ke atas, maka pulsa diaktifkan di CDN.

Pulsa di atas terlibat dalam mengontrol tingkat muatan melalui kapasitor eksternal Ccpc yang terkait dengan BPK pin. Ketika pulsa dihasilkan pada CUP, Bpk dibebankan melalui VDDUNTREGD untuk jangka waktu tertentu yang memicu potensi yang meningkat pada Bpk.

Tepat di jalur yang sama, ketika pulsa diberikan pada CDN, Ccpc dihubungkan dengan perangkat sink saat ini ke ground yang melepaskan kapasitor yang menyebabkan potensinya runtuh.

Setiap kali kapasitansi pada pin IN menjadi lebih tinggi, itu secara bersamaan meningkatkan waktu pelepasan tdch, yang menyebabkan tegangan pada komparator yang relevan turun pada waktu yang lebih lama. Ketika ini terjadi, output dari komparator cenderung menjadi rendah yang pada gilirannya membuat pulsa pada CDN memaksa CCP kapasitor eksternal untuk melepaskan ke tingkat yang lebih kecil.

Ini menyiratkan bahwa CUP sekarang menghasilkan sebagian besar pulsa yang menyebabkan CCP mengisi lebih banyak tanpa melalui langkah lebih lanjut.

Terlepas dari ini, fitur kalibrasi terkontrol tegangan otomatis dari IC yang mengandalkan 'isme' regulasi arus sink yang terkait dengan pin IN berusaha untuk menyeimbangkan waktu pelepasan tdch dengan merujuknya dengan tdcmef waktu pengosongan yang diatur secara internal.

Tegangan di Ccpg saat ini dikendalikan dan menjadi bertanggung jawab atas pelepasan kapasitansi pada IN dengan cukup cepat setiap kali potensi di CCP terdeteksi meningkat. Ini dengan sempurna menyeimbangkan peningkatan kapasitansi pada pin input IN.

Efek ini memunculkan sistem pelacakan loop tertutup yang secara terus menerus memonitor dan melakukan penyetaraan otomatis waktu pelepasan tdch dengan mengacu pada tdchlmf.

Ini membantu untuk memperbaiki variasi kapasitansi yang lamban di pinout IN dari IC. Selama pengisian cepat sate misalnya ketika jari manusia mendekati sensor penginderaan dengan cepat, kompensasi yang dibahas mungkin tidak terjadi, dalam kondisi keseimbangan, panjang periode pelepasan tidak berbeda menyebabkan denyut nadi berfluktuasi secara bergantian di CUP dan CDN.

Ini lebih lanjut menyiratkan bahwa dengan nilai Ccpg yang lebih besar, variasi tegangan yang relatif terbatas untuk setiap pulsa dapat diharapkan untuk CUP atau CDN.

Oleh karena itu, penyerap arus internal menimbulkan kompensasi yang lebih lambat, dengan demikian meningkatkan sensitivitas sensor. Sebaliknya ketika CCP mengalami penurunan, menyebabkan sensitivitas sensor menjadi turun.

Monitor Sensor Bawaan

Panggung penghitung internal memantau pemicu sensor dan secara bersamaan menghitung pulsa di CUP atau CDN, penghitung akan disetel ulang setiap kali arah pulsa melintasi CUP ke CDN bergantian atau berubah.

Pin keluaran yang direpresentasikan sebagai OUT mengalami aktivasi hanya ketika jumlah pulsa yang cukup di CUP atau CDN terdeteksi. Tingkat gangguan sederhana atau interaksi lambat di seluruh sensor atau kapasitansi masukan tidak menghasilkan efek apa pun pada pemicu keluaran.

Chip mencatat beberapa kondisi seperti pola pengisian / pengosongan yang tidak sama sehingga perpindahan keluaran yang dikonfirmasi diberikan dan deteksi palsu dihilangkan.

Start-up Lanjutan

IC mencakup sirkuit start-up canggih yang memungkinkan chip mencapai keseimbangan lebih cepat segera setelah pasokannya DIAKTIFKAN.

Secara internal pin OUT dikonfigurasi sebagai drain terbuka yang memulai pinout dengan logika tinggi (Vdd) dengan arus maksimum 20mA untuk beban yang terpasang. Jika output dikenakan beban lebih dari 30mA, suplai langsung terputus karena fitur perlindungan hubung singkat yang langsung terpicu.
Pinout ini juga kompatibel dengan CMOS dan karena itu menjadi sesuai untuk semua beban berbasis CMOS atau tahapan sirkuit.

Seperti disebutkan sebelumnya, parameter laju pengambilan sampel 'fs' berhubungan dengan dirinya sendiri sebagai 50% dari frekuensi yang digunakan dengan jaringan waktu RC. Laju pengambilan sampel dapat diatur pada rentang yang telah ditentukan dengan menetapkan nilai CCLIN secara tepat.

Frekuensi osilator yang dimodulasi secara internal sebesar 4% melalui sinyal pseudo-random-menghambat setiap kemungkinan interferensi dari frekuensi AC di sekitarnya.

Mode Pemilih Status Keluaran

IC juga memiliki fitur 'mode pemilihan status keluaran' yang dapat digunakan untuk mengaktifkan pin keluaran ke status monostabil atau bistable sebagai respons terhadap penginderaan kapasitif dari pinout masukan. Itu dirender dengan cara berikut:

Mode # 1 (TYPE diaktifkan di Vss): Output ditampilkan aktif selama sp selama input ditahan di bawah pengaruh kapasitif eksternal.

Mode # 2 (TYPE diaktifkan di VDD / NTRESD): Dalam mode ini output dinyalakan dan dimatikan secara bergantian (tinggi dan rendah) sebagai respons terhadap interaksi kapasitif berikutnya di seluruh foil sensor.

Mode # 3 (CTYPE diaktifkan antara TYPE dan VSS): Dengan kondisi ini pin output dipicu (rendah) untuk beberapa lama waktu yang telah ditentukan sebagai respons terhadap setiap input penginderaan kapasitif, yang durasinya sebanding dengan nilai CTYPE dan dapat bervariasi dengan laju kapasitansi 2,5ms per nF.

Nilai standar untuk CTYPE untuk mendapatkan penundaan sekitar 10 md dalam mode # 3 dapat menjadi 4.7nF, dan nilai maksimum yang diizinkan untuk CTYPE menjadi 470nF, yang dapat mengakibatkan penundaan sekitar satu detik. Setiap intervensi atau pengaruh kapasitif mendadak selama periode ini akan diabaikan begitu saja.

Cara Menggunakan Sirkuit

Pada bagian berikut kita mempelajari konfigurasi rangkaian tipikal menggunakan IC yang sama yang dapat diterapkan di semua produk yang membutuhkan remote presisi kedekatan merangsang operasi .

Sensor proximity kapasitif yang diusulkan dapat digunakan secara beragam dalam banyak aplikasi berbeda seperti yang ditunjukkan pada data berikut:

Konfigurasi aplikasi yang khas menggunakan IC dapat disaksikan di bawah ini:

Konfigurasi Sirkuit Aplikasi

Suplai + input terpasang dengan VDD. Kapasitor penghalus mungkin lebih disukai dihubungkan melintasi dan VDD dan arde dan juga di VDDUNTREGD dan arde untuk kerja chip yang lebih andal.

Nilai kapasitansi COLIN yang dihasilkan pada pin CLIN memperbaiki laju pengambilan sampel secara efektif. Meningkatkan laju pengambilan sampel dapat memungkinkan peningkatan waktu reaksi pada input penginderaan dengan peningkatan proporsional dalam konsumsi saat ini

Pelat Sensor Jarak

Pelat penginderaan kapasitif penginderaan dapat dalam bentuk foil logam miniatur atau pelat yang dilindungi dan diisolasi dengan lapisan non konduktif.

Area penginderaan ini dapat diakhiri dengan jarak yang lebih jauh melalui kabel koaksial CCABLE yang ujung lainnya dapat dihubungkan dengan IN dari IC, atau pelat dapat langsung dihubungkan dengan pinout IN dari IC tergantung pada kebutuhan aplikasi.

IC dilengkapi dengan sirkuit filter lolos rendah internal yang membantu menekan semua bentuk interferensi RF yang mungkin mencoba masuk ke IC melalui pin IN dari IC.

Selain itu seperti yang ditunjukkan dalam diagram, seseorang juga dapat menambahkan konfigurasi eksternal menggunakan RF dan CF untuk lebih meningkatkan penekanan RF dan memperkuat kekebalan RF untuk rangkaian.

Untuk mencapai kinerja yang optimal dari rangkaian, disarankan agar jumlah nilai kapasitansi CSENSE + CCABLE + Cp harus berada dalam kisaran yang sesuai, level yang baik bisa sekitar 30pF.

Ini membantu loop kontrol untuk bekerja dengan cara yang lebih baik dengan kapasitansi statis melalui CSENSE untuk menyamakan interaksi yang agak lebih lambat pada pelat kapasitif penginderaan.

Mencapai Input Kapasitif yang Ditingkatkan

Untuk mencapai peningkatan level input kapasitif, mungkin disarankan untuk menyertakan resistor tambahan Rc seperti yang ditunjukkan dalam diagram yang membantu mengontrol waktu pengosongan sesuai spesifikasi persyaratan waktu internal.

Area penampang pelat penginderaan yang terpasang atau foil penginderaan menjadi berbanding lurus dengan sensitivitas rangkaian, dalam hubungannya dengan nilai Ccpc kapasitor, pengurangan nilai Ccpc dapat sangat memengaruhi sensitivitas pelat penginderaan. Oleh karena itu untuk mencapai besaran sensitivitas yang efektif, Bpk dapat ditingkatkan secara optimal dan sesuai.

Pinout bertanda CPC secara internal dikaitkan dengan impedansi tinggi dan karena itu dapat rentan terhadap arus bocor.

Pastikan Ccpc dipilih dengan kapasitor PPC jenis MKT atau jenis X7R berkualitas tinggi untuk mendapatkan performa yang optimal dari desain.

Beroperasi pada Suhu Rendah

Jika sistem dimaksudkan untuk dioperasikan dengan kapasitansi input terbatas hingga 35pF dan pada suhu beku -20 derajat C, maka disarankan untuk menurunkan tegangan suplai ke IC menjadi sekitar 2.8V. Ini pada gilirannya menurunkan rentang operasi tegangan Vlicpc yang spesifikasinya terletak antara 0.6V hingga VDD - 0.3V.

Selain itu, menurunkan rentang operasi Vucpc dapat mengakibatkan penurunan kisaran kapasitansi input rangkaian secara proporsional.

Juga, orang mungkin memperhatikan bahwa ketika nilai Vucpc meningkat dengan penurunan suhu seperti yang ditunjukkan dalam diagram, yang memberi tahu kita mengapa menurunkan tegangan suplai dengan tepat membantu menurunkan suhu.

Spesifikasi Komponen yang Direkomendasikan

Tabel 6 dan Tabel7 menunjukkan kisaran nilai komponen yang direkomendasikan yang dapat dipilih secara tepat sesuai spesifikasi aplikasi yang diinginkan dengan mengacu pada petunjuk di atas.

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