Trong bài này chúng ta thảo luận một cách tổng thể về 3 mạch cảm biến tiệm cận cơ bản với nhiều mạch ứng dụng và tính năng chi tiết của mạch. Hai mạch cảm biến tiệm cận điện dung đầu tiên sử dụng khái niệm dựa trên IC 741 và IC 555 đơn giản, trong khi mạch cuối cùng chính xác hơn một chút và kết hợp thiết kế dựa trên IC PCF8883 chính xác

1) Sử dụng IC 741

Mạch được giải thích dưới đây có thể được cấu hình để kích hoạt rơ le hoặc bất kỳ tải nào phù hợp như vòi nước , ngay khi cơ thể hoặc bàn tay của con người đến gần tấm cảm biến điện dung. Với các điều kiện cụ thể, khoảng cách tay chỉ đủ để kích hoạt đầu ra mạch.

Cảm biến tiệm cận mạch cảm ứng điện dung IC 741

Một đầu vào trở kháng cao được đưa ra bởi Q1, là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường thông thường như 2N3819. Một amp op 741 tiêu chuẩn được sử dụng dưới dạng một công tắc mức điện áp nhạy sau đó điều khiển bộ đệm hiện tại Q2, một bóng bán dẫn lưỡng cực pnp dòng điện trung bình, do đó kích hoạt rơ le có thể quen với việc chuyển đổi thiết bị, chẳng hạn như báo động, vòi, v.v. .

Trong khi mạch ở điều kiện chờ không hoạt động, điện áp tại chân 3 của amp op được cố định ở mức lớn hơn mức điện áp chân 2 bằng cách điều chỉnh phù hợp VR1 đặt trước.

Điều này đảm bảo rằng điện áp ở chân đầu ra 6 sẽ cao khiến bóng bán dẫn Q2 và rơle vẫn bị ngắt.

Khi ngón tay được đưa đến gần tấm cảm biến hoặc chạm nhẹ, VGS phân cực ngược chiều thấp hơn sẽ làm tăng dòng tiêu của FET Q1 và kết quả là sụt trên điện áp R1 sẽ làm giảm điện áp của chân amp 3 xuống dưới điện áp hiện có tại chốt 2.

Điều này sẽ dẫn đến điện áp chân 6 giảm và do đó chuyển tiếp rơle bằng cách Q2. Điện trở R4 có thể được xác định để rơ le được giữ ở trạng thái TẮT trong điều kiện bình thường, xem xét rằng điện áp đặt dương cực nhỏ có thể phát triển ở đầu ra op amp chân 6 ngay cả khi điện áp chân 3 thấp hơn điện áp chân 2 trong trạng thái yên lặng (nhàn rỗi). Sự cố này có thể được khắc phục đơn giản bằng cách thêm một đèn LED nối tiếp với đế Q2.

2) Sử dụng IC 555

Bài đăng giải thích một mạch cảm biến tiệm cận điện dung hiệu quả dựa trên IC 555 có thể được sử dụng để phát hiện những kẻ xâm nhập gần một đối tượng có giá như xe của bạn. Ý tưởng do ông Max Payne yêu cầu.

Yêu cầu mạch

Xin chào Swagatam,

Vui lòng Đăng một mạch điện dung / cơ thể / cảm ứng có thể được áp dụng trên xe đạp. Thiết bị như vậy được thấy trên hệ thống an ninh ô tô, Khi ai đó đến gần ô tô hơn hoặc một khoảng cách đơn giản chỉ trong vòng 5 giây sẽ kích hoạt báo động trong 5 giây.

Cách thức hoạt động của loại báo động này, cảnh báo chỉ kích hoạt khi ai đó đến gần hơn (giả sử khoảng 30cm) họ sử dụng loại cảm biến nào?

Sơ đồ mạch

Hình ảnh mạch được phép: Elektor Electronics

Thiết kế

Có thể hiểu mạch cảm biến điện dung với sự trợ giúp của mô tả sau:

IC1 về cơ bản được nối dây như một bộ ổn định, nhưng không kết hợp một tụ điện thực. Tại đây, một tấm điện dung được đưa vào và chiếm vị trí của tụ điện cần thiết cho hoạt động ổn định.

Cần lưu ý rằng tấm điện dung lớn hơn sẽ tạo ra phản ứng tốt hơn và đáng tin cậy từ mạch.

Vì mạch được thiết kế để hoạt động như một hệ thống an ninh cảnh báo gần thân xe, nên bản thân phần thân có thể được sử dụng làm tấm điện dung và nó có khối lượng lớn sẽ khá phù hợp với ứng dụng.

Khi tấm cảm biến tiệm cận điện dung được tích hợp, IC555 sẽ ở vị trí chờ cho các hành động nhạy bén.

Khi phát hiện phần tử 'nối đất' ở khoảng cách gần, có thể là do bàn tay của con người, điện dung cần thiết được phát triển trên pin2 / 6 và mặt đất của vi mạch.

Kết quả trên dẫn đến sự phát triển tức thời của tần số khi IC bắt đầu dao động ở chế độ ổn định của nó.

Tín hiệu ổn định được thu nhận tại chân 3 của vi mạch được 'tích hợp' thích hợp với sự trợ giúp của R3, R4, R5 cùng với C3 ---- C5.

Kết quả 'tích hợp' được đưa đến một giai đoạn opamp được thiết kế như một bộ so sánh.

Bộ so sánh được hình thành xung quanh IC2 đáp ứng sự thay đổi này từ IC1 và chuyển nó thành điện áp kích hoạt, hoạt động T1 và rơle tương ứng.

Rơ le có thể được nối dây với còi hoặc còi để báo động cần thiết.

Tuy nhiên, trên thực tế người ta thấy rằng IC1 tạo ra xung điện áp cực đại từ dương đến âm tại thời điểm khi phát hiện thấy một mặt đất có điện trở gần tấm.

IC2 chỉ đáp ứng với sự gia tăng đột ngột của điện áp đỉnh để kích hoạt yêu cầu.

Nếu phần thân điện dung tiếp tục ở gần tấm, điện áp tần số đỉnh tại chân 3 biến mất đến mức aa mà IC2 có thể không phát hiện được, khiến nó không hoạt động, có nghĩa là rơ le chỉ hoạt động tại thời điểm phần tử điện dung được đưa hoặc loại bỏ gần bề mặt tấm.

P1, P2 có thể được điều chỉnh để đạt được độ nhạy tối đa từ tấm điện dung
Để có được hành động chốt, đầu ra của IC2 có thể được tích hợp thêm vào mạch flip flop, làm cho mạch cảm biến tiệm cận điện dung cực kỳ chính xác và nhạy

3) Sử dụng IC PCF8883

IC PCF8883 được thiết kế để hoạt động giống như một công tắc cảm biến tiệm cận điện dung chính xác thông qua công nghệ kỹ thuật số độc đáo (EDISEN đã được cấp bằng sáng chế) để cảm nhận sự khác biệt nhỏ nhất về điện dung xung quanh tấm cảm biến được chỉ định của nó.

Những đặc điểm chính

Các tính năng chính của cảm biến tiệm cận điện dung chuyên dụng này có thể được nghiên cứu như sau:

Các tính năng của IC PCF8883 của cảm ứng điện dung và cảm biến tiệm cận chuyên dụng này

Hình ảnh sau đây cho thấy cấu hình bên trong của IC PCF8883

IC không dựa trên truyền thống chế độ điện dung động của cảm biến thay vào đó, phát hiện sự thay đổi trong điện dung tĩnh bằng cách sử dụng hiệu chỉnh tự động thông qua hiệu chuẩn tự động liên tục.

Cảm biến về cơ bản ở dạng một lá dẫn điện nhỏ có thể được tích hợp trực tiếp với các sơ đồ chân có liên quan của vi mạch cho cảm biến điện dung dự kiến hoặc có thể kết thúc ở khoảng cách xa hơn thông qua cáp đồng trục để cho phép các hoạt động cảm biến tiệm cận điện dung từ xa chính xác và hiệu quả

Các hình sau thể hiện chi tiết sơ đồ chân của IC PCF8883. Hoạt động chi tiết của các sơ đồ chân khác nhau và mạch điện tích hợp có thể được hiểu theo các điểm sau:

Chi tiết sơ đồ chân của IC PCF8883

Sơ đồ chân IN được cho là kết nối với lá cảm ứng điện dung bên ngoài được liên kết với mạng RC nội bộ của IC.

Thời gian phóng điện được cung cấp bởi 'tdch' của mạng RC được so sánh với thời gian phóng điện của mạng RC in-bult thứ hai được ký hiệu là 'tdchimo'.

Hai mạng RC trải qua quá trình sạc định kỳ bằng VDD (INTREGD) thông qua một vài mạng chuyển đổi đồng bộ và giống hệt nhau, và sau đó được phóng điện với sự trợ giúp của điện trở Vss hoặc nối đất

Tốc độ thực hiện xả phí này được quy định bởi tốc độ lấy mẫu ký hiệu là 'fs'.

Trong trường hợp nếu sự khác biệt tiềm năng được thấy là giảm xuống dưới VM điện áp tham chiếu được thiết lập bên trong, thì đầu ra tương ứng của bộ so sánh có xu hướng trở nên thấp. Mức logic theo sau bộ so sánh xác định bộ so sánh chính xác thực sự có thể chuyển đổi trước bộ so sánh khác.

Và nếu bộ so sánh phía trên được xác định là đã kích hoạt trước, điều này dẫn đến một xung được hiển thị trên CUP, trong khi nếu bộ so sánh phía dưới được phát hiện đã chuyển đổi trước phần trên, thì xung được kích hoạt tại CDN.

Các xung trên tham gia vào việc kiểm soát mức sạc qua tụ điện bên ngoài Ccpc được liên kết với CPC chân. Khi một xung được tạo ra trên CUP, Ccpc được sạc qua VDDUNTREGD trong một khoảng thời gian nhất định, điều này sẽ kích hoạt tiềm năng tăng trên Ccpc.

Hoàn toàn trên cùng một đường thẳng, khi một xung được hiển thị tại CDN, Ccpc được liên kết với thiết bị chìm dòng điện xuống đất, phóng điện tụ điện khiến tiềm năng của nó bị sụp đổ.

Bất cứ khi nào điện dung tại chân IN cao hơn, nó sẽ tăng tương ứng thời gian phóng điện tdch, điều này làm cho điện áp trên bộ so sánh liên quan giảm xuống ở một thời gian dài hơn tương ứng. Khi điều này xảy ra, đầu ra của bộ so sánh có xu hướng xuống thấp, do đó tạo ra một xung tại CDN buộc tụ điện bên ngoài CCP phóng điện ở một mức độ nhỏ hơn.

Điều này ngụ ý rằng CUP hiện tạo ra phần lớn các xung khiến CCP sạc nhiều hơn mà không cần thực hiện thêm bất kỳ bước nào.

Mặc dù vậy, tính năng hiệu chuẩn được kiểm soát điện áp tự động của vi mạch dựa trên quy định dòng điện chìm 'ism' được kết hợp với chân IN sẽ cố gắng cân bằng thời gian phóng tdch bằng cách tham chiếu nó với thời gian phóng tdcmef được thiết lập bên trong.

Điện áp trên Ccpg được kiểm soát hiện tại và trở nên chịu trách nhiệm cho việc phóng điện dung trên IN khá nhanh bất cứ khi nào điện thế trên CCP được phát hiện đang tăng lên. Điều này hoàn toàn cân bằng điện dung ngày càng tăng trên chân đầu vào IN.

Hiệu ứng này làm phát sinh hệ thống theo dõi vòng kín liên tục theo dõi và tham gia vào việc cân bằng tự động thời gian phóng tdch với tham chiếu đến tdchlmf.

Điều này giúp sửa các biến thể chậm chạp của điện dung trên sơ đồ chân IN của vi mạch. Trong quá trình sạc nhanh, ví dụ khi ngón tay người tiếp cận nhanh với lá cảm ứng, phần bù đã thảo luận có thể không chuyển tiếp, trong điều kiện cân bằng, độ dài của chu kỳ phóng điện không khác nhau khiến xung dao động luân phiên trên CUP và CDN.

Điều này cũng ngụ ý rằng với các giá trị Ccpg lớn hơn, sự thay đổi điện áp tương đối hạn chế cho mỗi xung có thể được mong đợi đối với CUP hoặc CDN.

Do đó, dòng điện bên trong làm tăng độ bù chậm hơn, do đó nâng cao độ nhạy của cảm biến. Ngược lại, khi CCP giảm, làm cho độ nhạy của cảm biến giảm xuống.

Màn hình cảm biến tích hợp

Một giai đoạn bộ đếm tích hợp giám sát các bộ kích hoạt cảm biến và đếm các xung tương ứng trên CUP hoặc CDN, bộ đếm được đặt lại mỗi khi hướng xung qua CUP sang CDN thay thế hoặc thay đổi.

Chân đầu ra được biểu thị là OUT chỉ trải qua kích hoạt khi phát hiện đủ số lượng xung trên CUP hoặc CDN. Mức độ nhiễu nhỏ nhất hoặc tương tác chậm qua cảm biến hoặc điện dung đầu vào không tạo ra bất kỳ ảnh hưởng nào đến việc kích hoạt đầu ra.

Con chip lưu ý một số điều kiện như các mẫu sạc / xả không bằng nhau để thực hiện chuyển đổi đầu ra đã xác nhận và loại bỏ phát hiện giả.

Khởi động nâng cao

IC bao gồm một mạch khởi động tiên tiến cho phép chip đạt trạng thái cân bằng khá nhanh ngay khi nguồn cung cấp cho nó được BẬT.

Bên trong chân OUT được cấu hình như một cống mở khởi động sơ đồ chân với mức logic cao (Vdd) với dòng điện tối đa 20mA cho một tải được gắn. Trong trường hợp đầu ra chịu tải trên 30mA, nguồn cung cấp sẽ bị ngắt ngay lập tức do tính năng bảo vệ ngắn mạch được kích hoạt ngay lập tức.
Sơ đồ chân này cũng tương thích với CMOS và do đó trở nên thích hợp cho tất cả các tải hoặc giai đoạn mạch dựa trên CMOS.

Như đã đề cập trước đó, tham số tốc độ lấy mẫu 'fs' tự liên quan đến 50% tần số được sử dụng với mạng định thời RC. Tốc độ lấy mẫu có thể được đặt trong một khoảng xác định trước bằng cách cố định thích hợp giá trị của CCLIN.

“cảm biến tiếng gõ hoạt động như thế nào ”

Tần số dao động điều biến bên trong ở mức 4% thông qua tín hiệu giả ngẫu nhiên ngăn chặn bất kỳ cơ hội gây nhiễu nào từ các tần số AC xung quanh.

Chế độ chọn trạng thái đầu ra

IC cũng có tính năng hữu ích 'chế độ lựa chọn trạng thái đầu ra' có thể được sử dụng để cho phép chân đầu ra ở trạng thái đơn ổn hoặc ổn định để đáp ứng với cảm biến điện dung của sơ đồ đầu vào. Nó được hiển thị theo cách sau:

Chế độ # 1 (TYPE được kích hoạt tại Vss): Đầu ra được hiển thị hoạt động trong sp miễn là đầu vào được giữ dưới tác động điện dung bên ngoài.

Chế độ # 2 (TYPE được kích hoạt tại VDD / NTRESD): Trong chế độ này, đầu ra lần lượt được BẬT và TẮT (cao và thấp) để đáp ứng với tương tác điện dung tiếp theo trên lá cảm biến.

Chế độ # 3 (CTYPE được kích hoạt giữa TYPE và VSS): Với điều kiện này, chân đầu ra được kích hoạt (thấp) trong một số khoảng thời gian xác định trước để đáp ứng với mỗi đầu vào cảm biến điện dung, có thời lượng tỷ lệ với giá trị của CTYPE và có thể thay đổi với tốc độ 2,5ms trên điện dung nF.

Giá trị tiêu chuẩn cho CTYPE để có độ trễ khoảng 10ms ở chế độ số 3 có thể là 4,7nF và giá trị tối đa cho phép đối với CTYPE là 470nF, có thể dẫn đến độ trễ khoảng một giây. Bất kỳ sự can thiệp hoặc ảnh hưởng điện dung đột ngột nào trong giai đoạn này đều bị bỏ qua.

Cách sử dụng mạch

Trong các phần sau, chúng ta tìm hiểu cấu hình mạch điển hình sử dụng cùng một vi mạch có thể được áp dụng trong tất cả các sản phẩm yêu cầu điều khiển từ xa chính xác hoạt động kích thích gần nhau .

Cảm biến tiệm cận điện dung được đề xuất có thể được sử dụng đa dạng trong nhiều ứng dụng khác nhau như được chỉ ra trong dữ liệu sau:

Dưới đây là cấu hình ứng dụng điển hình sử dụng IC:

Cấu hình mạch ứng dụng

+ Nguồn cung cấp đầu vào được đính kèm với VDD. Tốt hơn là có thể kết nối tụ điện làm mịn qua VDD và nối đất và cũng qua VDDUNTREGD và nối đất để chip hoạt động đáng tin cậy hơn.

Giá trị điện dung của COLIN khi được tạo ra trên chân CLIN sẽ cố định tốc độ lấy mẫu một cách hiệu quả. Tăng tốc độ lấy mẫu có thể cho phép nâng cao thời gian phản ứng trên đầu vào cảm biến với mức tăng tương ứng trong mức tiêu thụ hiện tại

Tấm cảm biến tiệm cận

Tấm cảm biến điện dung cảm biến có thể ở dạng một lá kim loại thu nhỏ hoặc tấm được che chắn và cách ly bằng một lớp không dẫn điện.

Vùng cảm biến này có thể được kết thúc trong một khoảng cách xa hơn thông qua cáp đồng trục CCABLE mà các đầu khác của nó có thể được liên kết với IN của IC hoặc tấm có thể được kết nối trực tiếp với INpinout của IC tùy theo nhu cầu ứng dụng.

IC được trang bị một mạch lọc thông thấp bên trong giúp loại bỏ tất cả các dạng nhiễu RF có thể cố gắng xâm nhập vào IC thông qua chân IN của IC.

Ngoài ra, như được chỉ ra trong sơ đồ, người ta cũng có thể thêm một cấu hình bên ngoài sử dụng RF và CF để tăng cường hơn nữa việc triệt tiêu RF và củng cố khả năng miễn nhiễm RF cho mạch.

Để đạt được hiệu suất tối ưu từ mạch, khuyến nghị rằng tổng các giá trị điện dung của CSENSE + CCABLE + Cp phải nằm trong một phạm vi thích hợp nhất định, mức tốt có thể là khoảng 30pF.

Điều này giúp vòng điều khiển hoạt động theo cách tốt hơn với điện dung tĩnh trên CSENSE để cân bằng các tương tác khá chậm hơn trên tấm điện dung cảm biến.

Đạt được đầu vào điện dung tăng

Để đạt được mức tăng của đầu vào điện dung, có thể nên bao gồm một điện trở bổ sung Rc như được chỉ ra trong sơ đồ giúp kiểm soát thời gian phóng điện theo thông số kỹ thuật yêu cầu thời gian nội bộ.

Diện tích mặt cắt ngang của tấm cảm biến kèm theo hoặc một lá cảm biến tỷ lệ thuận với độ nhạy của mạch, cùng với giá trị Ccpc của tụ điện, việc giảm giá trị Ccpc có thể ảnh hưởng lớn đến độ nhạy của tấm cảm biến. Do đó, để đạt được độ nhạy hiệu quả, Ccpc có thể được tăng lên một cách tối ưu và phù hợp.

CPC được đánh dấu sơ đồ chân được cho là do nội bộ có trở kháng cao và do đó có thể dễ bị rò rỉ dòng điện.

Đảm bảo rằng Ccpc được chọn bằng PPC chất lượng cao của loại tụ điện MKT hoặc loại X7R để đạt được hiệu suất tối ưu từ thiết kế.

Hoạt động ở nhiệt độ thấp

Trong trường hợp hệ thống được dự định hoạt động với điện dung đầu vào bị hạn chế lên đến 35pF và ở nhiệt độ đóng băng -20 độ C, thì có thể nên giảm điện áp cung cấp cho IC xuống khoảng 2,8V. Điều này lần lượt làm giảm phạm vi hoạt động của điện áp Vlicpc có thông số kỹ thuật nằm trong khoảng từ 0,6V đến VDD - 0,3V.

Hơn nữa, việc giảm phạm vi hoạt động của Vucpc có thể dẫn đến giảm phạm vi điện dung đầu vào của mạch một cách tương ứng.

Ngoài ra, người ta có thể nhận thấy rằng khi giá trị Vucpc tăng khi nhiệt độ giảm như được minh họa trong biểu đồ, điều này cho chúng ta biết lý do tại sao việc hạ thấp điện áp nguồn một cách thích hợp giúp giảm nhiệt độ.

Thông số kỹ thuật thành phần được đề xuất

Bảng 6 và Bảng7 chỉ ra phạm vi khuyến nghị của các giá trị thành phần có thể được chọn thích hợp theo các thông số kỹ thuật ứng dụng mong muốn có tham chiếu đến các hướng dẫn trên.