3 circuits de capteurs de proximité capacitifs faciles explorés

Dans cet article, nous discutons en détail de 3 circuits de capteur de proximité de base avec de nombreux circuits d'application et des caractéristiques détaillées du circuit. Les deux premiers circuits de capteur de proximité capacitifs utilisent des concepts simples basés sur IC 741 et IC 555, tandis que le dernier est un peu plus précis et intègre une conception basée sur IC PCF8883 de précision.

1) Utilisation de l'IC 741

Le circuit expliqué ci-dessous pourrait être configuré pour activer un relais ou toute charge appropriée telle qu'un robinet , dès que le corps humain ou la main s'approche de la plaque du capteur capacitif. Dans des conditions spécifiques, la proximité de la main suffit à déclencher la sortie du circuit.

Une entrée à haute impédance est donnée par Q1, qui est un transistor à effet de champ régulier comme 2N3819. Un ampli opérationnel 741 standard est utilisé sous la forme d'un commutateur de niveau de tension sensible qui commande ensuite le tampon de courant Q2, un transistor bipolaire pnp à courant moyen, activant ainsi le relais qui peut être habitué à commuter un appareil, tel que des alarmes, un robinet, etc. .

Lorsque le circuit est en état de veille au repos, la tension à la broche 3 de l'ampli opérationnel est fixée à un niveau de tension supérieur au niveau de la broche 2 en ajustant de manière appropriée le préréglage VR1.

Cela garantit que la tension à la broche de sortie 6 sera élevée, ce qui entraînera la désactivation du transistor Q2 et du relais.

Lorsque le doigt est amené à proximité de la plaque du capteur ou en le touchant légèrement, une baisse de polarisation opposée VGS augmentera le courant de drain du FET Q1 et la chute résultante à travers la tension R1 réduira la tension de la broche 3 de l'ampli opérationnel en dessous de la tension existante à broche 2.

Cela entraînera une chute de la tension de la broche 6 et par conséquent une mise en marche du relais au moyen de Q2. La résistance R4 peut être déterminée afin que le relais reste éteint dans des conditions normales, étant donné qu'une minuscule tension positive de désactivation peut se développer à la sortie de la broche 6 de l'ampli opérationnel même si la tension de la broche 3 est inférieure à la tension de la broche 2 l'état de repos (inactif). Ce problème pourrait être résolu simplement en ajoutant une LED en série avec la base Q2.

2) Utilisation de l'IC 555

L'article explique un circuit de capteur de proximité capacitif efficace basé sur IC 555 qui peut être utilisé pour détecter des intrus à proximité d'un objet à prix tel que votre véhicule. L'idée a été demandée par M. Max Payne.

La demande de circuit

Bonjour Swagatam,

Veuillez publier un circuit capacitif / corporel / sensible pouvant être appliqué sur le vélo. Un tel appareil vu sur le système de sécurité de la voiture, lorsque quelqu'un se rapproche de la voiture ou un simple 1 à proximité de canal déclenche l'alarme pendant 5 secondes.

Comment fonctionne ce type d'alarme, l'alarme ne se déclenche que lorsque quelqu'un s'approche (disons 30cm) du type de capteur utilisé?

Schéma

Image du circuit avec l'aimable autorisation: Elektor Electronics

La conception

Le circuit du capteur capacitif peut être compris à l'aide de la description suivante:

IC1 est fondamentalement câblé comme un astable, mais sans incorporer un véritable condensateur. Ici, une plaque capacitive est introduite et prend la position du condensateur nécessaire au fonctionnement astable.

Il faut noter qu'une plaque capacitive plus grande produira une réponse meilleure et beaucoup plus fiable du circuit.

Étant donné que le circuit est destiné à fonctionner comme un système de sécurité d'alerte de proximité du corps du véhicule, le corps lui-même pourrait être utilisé comme plaque capacitive, et son volume énorme conviendrait assez bien à l'application.

Une fois la plaque de capteur de proximité capacitive intégrée, l'IC555 se met en position d'attente pour les actions astables.

Lors de la détection d'un élément de «masse» à proximité, qui pourrait être la main d'un humain, la capacité requise est développée sur la broche 2/6 et la masse du circuit intégré.

Ce qui précède entraîne un développement instantané de la fréquence lorsque le circuit intégré commence à osciller dans son mode astable.

Le signal astable est acquis à la broche3 du circuit intégré qui est correctement «intégré» à l'aide de R3, R4, R5 avec C3 ---- C5.

Le résultat «intégré» est transmis à un étage d'ampli op monté comme comparateur.

Le comparateur formé autour de IC2 répond à ce changement de IC1 et le traduit en une tension de déclenchement, de fonctionnement T1 et du relais correspondant.

Le relais peut être câblé avec une sirène ou un klaxon pour l'alarme requise.

Cependant, on voit pratiquement que IC1 produit une impulsion de tension de crête positive à négative au moment où une masse caapcitive est détectée près de la plaque.

IC2 répond uniquement à cette montée soudaine de la tension de crête pour le déclenchement requis.

Si le corps capacitif continue d'être à proximité immédiate de la plaque, la tension de fréquence de crête à la broche 3 disparaît à un niveau qui peut être indétectable par IC2, le rendant inactif, ce qui signifie que le relais ne reste actif qu'au moment où l'élément capacitif est amené ou retiré près de la surface de la plaque.

P1, P2 peuvent être ajustés pour acquérir une sensibilité maximale de la plaque capacitive
Pour obtenir une action de verrouillage, la sortie de IC2 peut être en outre intégrée à un circuit de bascule, rendant le circuit de capteur de proximité capacitif extrêmement précis et réactif.

3) Utilisation de l'IC PCF8883

L'IC PCF8883 est conçu pour fonctionner comme un commutateur de capteur de proximité capacitif de précision grâce à une technologie numérique unique (brevetée par EDISEN) pour détecter la moindre différence de capacité autour de sa plaque de détection spécifiée.

Caractéristiques principales

Les principales caractéristiques de ce capteur de proximité capacitif spécialisé peuvent être des études comme indiqué ci-dessous:

L'image suivante montre la configuration interne de l'IC PCF8883

Le CI ne repose pas sur le traditionnel mode de détection de capacité dynamique détecte plutôt la variation de la capacité statique en employant la correction automatique par auto-étalonnage continu.

Le capteur se présente essentiellement sous la forme d'une petite feuille conductrice qui peut être directement intégrée aux broches appropriées du circuit intégré pour la détection capacitive prévue ou peut-être terminée à des distances plus longues par des câbles coaxiaux pour permettre des opérations de détection de proximité capacitive à distance précises et efficaces

Les figures suivantes représentent les détails de brochage de l'IC PCF8883. Le fonctionnement détaillé des différents brochages et des circuits intégrés peut être compris avec les points suivants:

Détails du brochage de l'IC PCF8883

Le brochage IN qui est censé être connecté à la feuille de détection capacitive externe est lié au réseau RC interne du CI.

Le temps de décharge donné par «tdch» du réseau RC est comparé au temps de décharge du deuxième réseau RC in-bult noté «tdchimo».

Les deux réseaux RC passent par une charge périodique par VDD (INTREGD) à travers un couple de réseaux de commutation identiques et synchronisés, puis déchargés à l'aide d'une résistance à Vss ou à la terre

La vitesse à laquelle cette décharge de charge est exécutée est régulée par une fréquence d'échantillonnage notée «fs».

Dans le cas où l'on voit que la différence de potentiel chute en dessous de la tension de référence définie en interne VM, la sortie correspondante du comparateur a tendance à devenir basse. Le niveau logique qui suit les comparateurs identifie le comparateur exact qui pourrait effectivement basculer avant l'autre.

Et si le comparateur supérieur est identifié comme ayant été déclenché en premier, il en résulte qu'une impulsion est rendue sur CUP, tandis que si le comparateur inférieur est détecté comme ayant commuté avant le supérieur, alors l'impulsion est activée au CDN.

Les impulsions ci-dessus s'engagent dans le contrôle du niveau de charge sur le condensateur externe Ccpc associé à la broche CPC. Lorsqu'une impulsion est générée sur CUP, le Ccpc est chargé via VDDUNTREGD pendant une période de temps donnée, ce qui déclenche un potentiel croissant sur Ccpc.

Tout à fait sur les mêmes lignes, lorsqu'une impulsion est rendue à CDN, le Ccpc est lié au dispositif de puits de courant à la terre qui décharge le condensateur provoquant l'effondrement de son potentiel.

Chaque fois que la capacité à la broche IN augmente, elle augmente en conséquence le temps de décharge tdch, ce qui fait chuter la tension aux bornes du comparateur concerné à un temps proportionnellement plus long. Lorsque cela se produit, la sortie du comparateur a tendance à devenir faible, ce qui à son tour produit une impulsion à CDN forçant le condensateur externe CCP à se décharger à un degré moindre.

Cela implique que CUP génère maintenant la majorité des impulsions, ce qui fait que CCP se recharge encore plus sans passer par d'autres étapes.

Malgré cela, la fonction d'étalonnage automatique commandé en tension du CI qui repose sur une régulation de courant de puits `` ism '' associée à la broche IN fait un effort pour équilibrer le temps de décharge tdch en le référant à un temps de décharge réglé en interne tdcmef.

La tension aux bornes de Ccpg est contrôlée en courant et devient responsable de la décharge de la capacité sur IN assez rapidement chaque fois que le potentiel aux bornes de CCP est détecté comme augmentant. Cela équilibre parfaitement la capacité croissante sur la broche d'entrée IN.

Cet effet donne lieu à un système de suivi en boucle fermée qui surveille en permanence et s'engage dans une égalisation automatique du temps de décharge tdch en référence à tdchlmf.

Cela aide à corriger les variations lentes de capacité à travers le brochage IN du CI. Pendant des états de charge rapide, par exemple lorsqu'un doigt humain est approché rapidement de la feuille de détection, la compensation discutée peut ne pas transpirer, dans des conditions d'équilibre, la longueur de la période de décharge ne diffère pas, ce qui fait que l'impulsion fluctue alternativement à travers CUP et CDN.

Ceci implique en outre qu'avec des valeurs Ccpg plus grandes, une variation de tension relativement restreinte pour chaque impulsion peut être attendue pour CUP ou CDN.

Par conséquent, le puits de courant interne donne lieu à une compensation plus lente, augmentant ainsi la sensibilité du capteur. Au contraire, lorsque CCP subit une diminution, la sensibilité du capteur diminue.

Moniteur de capteur intégré

Un étage de compteur intégré surveille les déclenchements du capteur et compte en conséquence les impulsions à travers CUP ou CDN, le compteur est réinitialisé chaque fois que la direction des impulsions à travers le CUP vers CDN alterne ou change.

La broche de sortie représentée par OUT ne subit une activation que lorsqu'un nombre adéquat d'impulsions à travers CUP ou CDN est détecté. Des niveaux d'interférence modestes ou des interactions lentes à travers le capteur ou la capacité d'entrée ne produisent aucun effet sur le déclenchement de la sortie.

La puce prend note de plusieurs conditions telles que des motifs de charge / décharge inégaux de sorte qu'une commutation de sortie confirmée est rendue et la détection parasite est éliminée.

Démarrage avancé

Le CI comprend un circuit de démarrage avancé qui permet à la puce d'atteindre l'équilibre assez rapidement dès que son alimentation est activée.

En interne, la broche OUT est configurée comme un drain ouvert qui initie le brochage avec une logique haute (Vdd) avec un courant maximum de 20 mA pour une charge connectée. Dans le cas où la sortie est soumise à des charges supérieures à 30 mA, l'alimentation est instantanément déconnectée en raison de la fonction de protection contre les courts-circuits qui se déclenche instantanément.
Ce brochage est également compatible CMOS et devient donc approprié pour toutes les charges ou étages de circuit basés sur CMOS.

Comme mentionné précédemment, le paramètre de fréquence d'échantillonnage «fs» correspond à 50% de la fréquence utilisée avec le réseau de synchronisation RC. Le taux d'échantillonnage peut être réglé sur une plage prédéterminée en fixant de manière appropriée la valeur de CCLIN.

Une fréquence d'oscillateur modulée en interne à 4% via un signal pseudo-aléatoire inhibe toute possibilité d'interférences provenant des fréquences CA environnantes.

Mode de sélection d'état de sortie

Le CI comporte également un «mode de sélection d'état de sortie» utile qui peut être utilisé pour permettre à la broche de sortie de se trouver dans l'état monostable ou bistable en réponse à la détection capacitive du brochage d'entrée. Il est rendu de la manière suivante:

Mode n ° 1 (TYPE activé à Vss): La sortie est rendue active pendant sp tant que l'entrée est maintenue sous l'influence capacitive externe.

Mode n ° 2 (TYPE activé sur VDD / NTRESD): Dans ce mode, la sortie est alternativement activée et désactivée (haut et bas) en réponse à une interaction capacitive ultérieure à travers la feuille du capteur.

Mode n ° 3 (CTYPE activé entre TYPE et VSS): Avec cette condition, la broche de sortie est déclenchée (bas) pendant une durée prédéterminée en réponse à chaque entrée de détection capacitive, dont la durée est proportionnelle à la valeur de CTYPE et peut être modifiée avec un taux de 2,5 ms par capacité nF.

Une valeur standard pour CTYPE pour contourner un délai de 10 ms en mode n ° 3 pourrait être de 4,7 nF, et la valeur maximale autorisée pour CTYPE de 470 nF, ce qui peut entraîner un retard d'environ une seconde. Toute intervention ou influence capacitive brusque pendant cette période est simplement ignorée.

Comment utiliser le circuit

Dans les sections suivantes, nous apprenons une configuration de circuit typique utilisant le même circuit intégré qui peut être appliqué à tous les produits nécessitant une télécommande de précision opérations stimulées par la proximité .

Le capteur de proximité capacitif proposé peut être utilisé de manière diversifiée dans de nombreuses applications différentes, comme indiqué dans les données suivantes:

Une configuration d'application typique utilisant l'IC peut être observée ci-dessous:

Configuration du circuit d'application

L'alimentation d'entrée + est reliée au VDD. Un condensateur de lissage peut être de préférence connecté entre et VDD et la masse et également entre VDDUNTREGD et la masse pour un fonctionnement plus fiable de la puce.

La valeur de capacité de COLIN telle que produite sur la broche CLIN fixe efficacement la fréquence d'échantillonnage. L'augmentation du taux d'échantillonnage peut permettre d'améliorer le temps de réaction sur l'entrée de détection avec une augmentation proportionnelle de la consommation de courant

Plaque de capteur de proximité

La plaque de détection capacitive de détection pourrait être sous la forme d'une feuille ou plaque métallique miniature blindée et isolée avec une couche non conductrice.

Cette zone de détection peut être soit terminée sur une plus longue distance via un câble coaxial CCABLE dont les autres extrémités peuvent être reliées à l'entrée du circuit intégré, soit la plaque peut être simplement connectée directement à la broche IN du circuit intégré en fonction des besoins de l'application.

Le CI est équipé d'un circuit de filtre passe-bas interne qui aide à supprimer toutes les formes d'interférences RF qui peuvent essayer de se frayer un chemin dans le CI via la broche IN du CI.

De plus, comme indiqué dans le diagramme, on peut également ajouter une configuration externe utilisant RF et CF pour améliorer davantage la suppression RF et renforcer l'immunité RF pour le circuit.

Afin d'obtenir des performances optimales du circuit, il est recommandé que la somme des valeurs de capacité de CSENSE + CCABLE + Cp soit dans une plage appropriée donnée, un bon niveau pourrait être d'environ 30 pF.

Cela aide la boucle de contrôle à mieux fonctionner avec la capacité statique sur CSENSE pour égaliser les interactions plutôt plus lentes sur la plaque capacitive de détection.

Obtenez des entrées capacitives accrues

Pour obtenir des niveaux accrus d'entrées capacitives, il peut être recommandé d'inclure une résistance supplémentaire Rc comme indiqué dans le diagramme qui aide à contrôler le temps de décharge selon les spécifications de temporisation interne.

La section transversale de la plaque de détection fixée ou d'une feuille de détection devient directement proportionnelle à la sensibilité du circuit, en conjonction avec la valeur du condensateur Ccpc, la réduction de la valeur Ccpc peut grandement affecter la sensibilité de la plaque de détection. Par conséquent, pour obtenir une quantité efficace de sensibilité, le Ccpc pourrait être augmenté de manière optimale et en conséquence.

Le brochage marqué CPC est attribué en interne à une impédance élevée et pourrait donc être sensible aux courants de fuite.

Assurez-vous que Ccpc est choisi avec un PPC de haute qualité de type MKT de condensateur ou de type X7R pour obtenir des performances optimales de la conception.

Fonctionnement à basses températures

Dans le cas où le système est destiné à être utilisé avec une capacité d'entrée limitée jusqu'à 35pF et à des températures de congélation de -20 ° C, il peut être conseillé de réduire la tension d'alimentation du circuit intégré à environ 2,8V. Cela réduit à son tour la plage de fonctionnement de la tension Vlicpc dont la spécification se situe entre 0,6 V et VDD - 0,3 V.

De plus, abaisser la plage de fonctionnement de Vucpc pourrait entraîner une réduction proportionnelle de la plage de capacité d'entrée du circuit.

En outre, on peut remarquer que lorsque la valeur Vucpc augmente avec la baisse des températures, comme le montrent les schémas, ce qui nous explique pourquoi une baisse appropriée de la tension d'alimentation aide à faire baisser les températures.

Spécifications des composants recommandées

Le Tableau 6 et le Tableau 7 indiquent la plage recommandée des valeurs des composants qui peuvent être choisies de manière appropriée selon les spécifications d'application souhaitées en référence aux instructions ci-dessus.

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