تم استكشاف 3 دوائر مستشعرات تقارب سعوية سهلة

في هذا المنشور ، نناقش بشكل شامل 3 دوائر استشعار تقارب أساسية مع العديد من دوائر التطبيق والميزات التفصيلية للدائرة. تستخدم أول دارتين لمستشعر القرب السعوي مفاهيم بسيطة تستند إلى IC 741 و IC 555 ، في حين أن الدائرة الأخيرة أكثر دقة قليلاً وتتضمن تصميم IC PCF8883 دقيق

1) باستخدام IC 741

يمكن تكوين الدائرة الموضحة أدناه لتنشيط مرحل أو أي حمل مناسب مثل a صنبور الماء ، بمجرد اقتراب جسم الإنسان أو اليد من لوحة المستشعر السعوي. في ظل ظروف محددة ، يكون تقارب اليد كافياً فقط لتشغيل خرج الدائرة.

يتم إعطاء مدخلات مقاومة عالية بواسطة Q1 ، وهو ترانزستور ذو تأثير ميداني منتظم مثل 2N3819. يتم استخدام 741 op amp القياسي في شكل مفتاح حساس لمستوى الجهد والذي يقود لاحقًا المخزن المؤقت الحالي Q2 ، وهو ترانزستور ثنائي القطب pnp متوسط ​​الحالي ، وبالتالي تنشيط المرحل الذي قد يكون معتادًا على تبديل جهاز ، مثل الإنذارات والصنبور وما إلى ذلك .

عندما تكون الدائرة في حالة الاستعداد الخمول ، يتم إصلاح الجهد عند الطرف 3 من المرجع أمبير عند مستوى أكبر من مستوى الجهد من طرف 2 عن طريق ضبط VR1 المحدد مسبقًا بشكل مناسب.

هذا يضمن أن الجهد عند طرف الخرج 6 سيكون مرتفعًا مما يتسبب في بقاء الترانزستور Q2 والتتابع مغلقًا.

عندما يتم وضع الإصبع بالقرب من لوحة المستشعر أو لمسه بشكل خفيف ، فإن الانحراف المعاكس المنخفض VGS سيزيد من تيار التصريف لـ FET Q1 وسيؤدي الانخفاض الناتج عبر الجهد R1 إلى تقليل جهد op amp pin 3 تحت الجهد الموجود عند دبوس 2.

سيؤدي ذلك إلى انخفاض جهد الطرف 6 وبالتالي تشغيل المرحل عن طريق Q2. يمكن تحديد المقاوم R4 من أجل إبقاء المرحل في وضع إيقاف التشغيل في ظل الظروف العادية ، مع الأخذ في الاعتبار أن جهدًا مضبوطًا موجبًا صغيرًا قد يتطور عند خرج op amp pin 6 حتى إذا كان جهد pin 3 أقل من جهد pin 2 في الحالة الهادئة (الخمول). يمكن معالجة هذه المشكلة ببساطة عن طريق إضافة LED في سلسلة مع قاعدة Q2.

2) استخدام IC 555

يشرح المنشور دائرة مستشعر القرب السعوي القائمة على IC 555 والتي يمكن استخدامها للكشف عن الدخلاء بالقرب من كائن مسعّر مثل سيارتك. تم طلب الفكرة من قبل السيد ماكس باين.

طلب الدائرة

مرحبا Swagatam ،

يرجى نشر دائرة سعوية / جسم / حساس يمكن تطبيقها على الدراجة. مثل هذا الجهاز الذي يظهر في نظام أمان السيارة ، عندما يقترب شخص ما من السيارة أو عندما يقترب شخص بسيط من السيارة على مسافة 1 في الفصل ، فإن ذلك سيؤدي إلى تشغيل الإنذار لمدة 5 ثوانٍ

كيف يعمل هذا النوع من الإنذار ، يتم تشغيل الإنذار فقط عندما يقترب شخص ما (قل 30 سم) ما نوع المستشعر الذي يستخدمه؟

مخطط الرسم البياني

صورة الدائرة مجاملة: إليكتور للإلكترونيات

التصميم

يمكن فهم دائرة المستشعر السعوي بمساعدة الوصف التالي:

يتم توصيل IC1 بشكل أساسي باعتباره مستقرًا ، ولكن بدون دمج مكثف حقيقي. هنا يتم إدخال لوحة سعوية وتتخذ موضع المكثف المطلوب للتشغيل المستقر.

وتجدر الإشارة إلى أن اللوحة السعوية الأكبر ستنتج استجابة أفضل وأكثر موثوقية من الدائرة.

نظرًا لأن الدائرة تهدف إلى العمل كنظام أمان للتنبيه بالقرب من جسم السيارة ، يمكن استخدام الجسم نفسه كلوحة سعوية ، وكونه ضخمًا من حيث الحجم يناسب التطبيق جيدًا.

بمجرد دمج لوحة مستشعر القرب السعوي ، يأتي IC555 في وضع الاستعداد للإجراءات المستقرة.

عند اكتشاف عنصر 'أرضي' على مسافة قريبة ، والتي يمكن أن تكون من يد الإنسان ، يتم تطوير السعة المطلوبة عبر pin2 / 6 وأرض IC.

ينتج عن ما سبق تطورًا فوريًا للتردد حيث يبدأ IC في التذبذب في وضعه المستقر.

يتم الحصول على الإشارة المستقرة في pin3 من IC والذي يتم 'دمجه' بشكل مناسب بمساعدة R3 و R4 و R5 جنبًا إلى جنب مع C3 ---- C5.

يتم تغذية النتيجة 'المتكاملة' إلى مرحلة opamp المجهزة كمقارن.

يستجيب المقارن المتكون حول IC2 لهذا التغيير من IC1 ويترجمه إلى جهد محفز ، يعمل T1 والمرحل المقابل.

قد يكون التتابع سلكيًا بصفارة إنذار أو بوقًا للإنذار المطلوب.

ومع ذلك ، فقد لوحظ عمليًا أن IC1 ينتج نبضًا موجبًا للجهد السالب في اللحظة التي يتم فيها اكتشاف أرضية caapcitive بالقرب من اللوحة.

يستجيب IC2 فقط لهذا الارتفاع المفاجئ في ذروة الجهد من أجل الزناد المطلوب.

إذا استمر الجسم السعوي على مقربة من اللوحة ، فإن جهد تردد الذروة عند pin3 يتلاشى إلى مستوى aa الذي قد لا يمكن اكتشافه بواسطة IC2 ، مما يجعله غير نشط ، مما يعني أن المرحل يبقى نشطًا فقط في اللحظة التي يتم فيها إحضار العنصر السعوي أو إزالتها بالقرب من سطح اللوحة.

يمكن ضبط P1 ، P2 لاكتساب أقصى حساسية من اللوح السعوي
للحصول على إجراء إغلاق ، يمكن دمج خرج IC2 بشكل أكبر في دائرة فليب فليب ، مما يجعل دائرة مستشعر القرب السعوي دقيقة للغاية وسريعة الاستجابة

3) استخدام IC PCF8883

تم تصميم IC PCF8883 للعمل مثل مفتاح مستشعر القرب السعوي الدقيق من خلال تقنية رقمية فريدة (حاصلة على براءة اختراع EDISEN) لاستشعار أدنى فرق في السعة حول لوحة الاستشعار المحددة الخاصة به.

الخصائص الرئيسية

يمكن دراسة السمات الرئيسية لمستشعر القرب السعوي المتخصص هذا على النحو المبين أدناه:

توضح الصورة التالية التكوين الداخلي لجهاز IC PCF8883

لا يعتمد IC على التقليدي وضع السعة الديناميكية للاستشعار بدلاً من ذلك ، يكتشف التباين في السعة الساكنة من خلال استخدام التصحيح التلقائي من خلال المعايرة التلقائية المستمرة.

يكون المستشعر بشكل أساسي في شكل رقاقة موصلة صغيرة يمكن دمجها مباشرة مع المسامير ذات الصلة من IC للاستشعار بالسعة المقصودة أو ربما يتم إنهاؤها لمسافات أطول من خلال الكابلات المحورية لتمكين عمليات استشعار التقارب السعوي الدقيقة والفعالة عن بعد

تمثل الأرقام التالية تفاصيل pinout لـ IC PCF8883. يمكن فهم الأداء التفصيلي لمختلف pinouts والدوائر المدمجة بالنقاط التالية:

تفاصيل Pinout الخاصة بـ IC PCF8883

يرتبط pinout IN الذي من المفترض أن يكون متصلاً برقائق الاستشعار الخارجية بالسعة بشبكة RC الداخلية لـ ICs.

تتم مقارنة وقت التفريغ المعطى بواسطة 'tdch' لشبكة RC بوقت التفريغ لشبكة RC الثانية الداخلية والمشار إليها باسم 'tdchimo'.

تمر شبكتا RC من خلال الشحن الدوري بواسطة VDD (INTREGD) من خلال شبكتي تبديل متطابقة ومتزامنة ، وبعد ذلك يتم تفريغهما بمساعدة المقاوم إلى Vss أو الأرض

يتم تنظيم معدل تنفيذ هذا التفريغ بواسطة معدل أخذ العينات المشار إليه بـ 'fs'.

في حالة ما إذا كان الفرق المحتمل ينخفض ​​إلى ما دون الجهد المرجعي المحدد داخليًا VM ، فإن الناتج المقابل للمقارن يميل إلى أن يصبح منخفضًا. يحدد المستوى المنطقي الذي يتبع المقارنات المقارن الدقيق الذي يمكنه بالفعل التبديل قبل الآخر.

وإذا تم تحديد المقارن العلوي بأنه قد تم إطلاقه أولاً ، فسيؤدي ذلك إلى عرض نبضة على CUP ، بينما إذا تم اكتشاف المقارنة السفلية قبل التبديل قبل العلوي ، فسيتم تمكين النبض في CDN.

تشترك النبضات المذكورة أعلاه في التحكم في مستوى الشحن على المكثف الخارجي Ccpc المرتبط بـ CPC. عندما يتم إنشاء نبضة على CUP ، يتم شحن Ccpc من خلال VDDUNTREGD لفترة زمنية معينة مما يؤدي إلى زيادة احتمالية Ccpc.

تمامًا على نفس المنوال ، عندما يتم تقديم نبضة في CDN ، يتم ربط Ccpc بجهاز الحوض الحالي بالأرض مما يؤدي إلى تفريغ المكثف مما يتسبب في انهيار احتماله.

عندما ترتفع السعة عند pin IN ، فإنها تزيد من وقت التفريغ tdch ، مما يتسبب في انخفاض الجهد عبر المقارنة ذات الصلة في وقت أطول مماثل. عندما يحدث هذا ، يميل ناتج المقارنة إلى الانخفاض مما يؤدي بدوره إلى ظهور نبضة عند CDN مما يجبر المكثف الخارجي CCP على التفريغ بدرجة أقل.

هذا يعني أن CUP تولد الآن غالبية النبضات التي تجعل CCP تشحن أكثر دون المرور بأي خطوات أخرى.

بالرغم من ذلك ، فإن ميزة المعايرة التلقائية للجهد المتحكم في IC والتي تعتمد على تنظيم تيار الحوض المرتبط بـ pin IN يبذل جهدًا لموازنة وقت التفريغ من خلال إحالته بوقت تفريغ محدد داخليًا tdcmef.

يتم التحكم في الجهد عبر Ccpg حاليًا ويصبح مسؤولاً عن تفريغ السعة على IN بسرعة إلى حد ما كلما تم الكشف عن زيادة الجهد عبر CCP. هذا يوازن بشكل مثالي السعة المتزايدة على إدخال دبوس IN.

يؤدي هذا التأثير إلى ظهور نظام تتبع الحلقة المغلقة الذي يراقب باستمرار وينخرط في معادلة تلقائية لوقت التفريغ مع الإشارة إلى tdchlmf.

هذا يساعد على تصحيح الاختلافات البطيئة في السعة عبر IN pinout من IC. أثناء الشحن السريع ، على سبيل المثال عندما يقترب إصبع بشري من رقاقة الاستشعار بسرعة ، قد لا يحدث التعويض الذي تمت مناقشته ، في ظروف التوازن ، لا يختلف طول فترة التفريغ مما يتسبب في تقلب النبض بالتناوب عبر CUP و CDN.

هذا يعني أيضًا أنه مع قيم Ccpg الأكبر ، قد يكون من المتوقع حدوث اختلاف محدود نسبيًا في الجهد لكل نبضة لـ CUP أو CDN.

لذلك فإن بالوعة التيار الداخلي تؤدي إلى تعويض أبطأ ، وبالتالي تعزيز حساسية المستشعر. على العكس من ذلك ، عندما يواجه CCP انخفاضًا ، يؤدي ذلك إلى انخفاض حساسية المستشعر.

جهاز استشعار مدمج

تراقب مرحلة العداد المضمنة مشغلات المستشعر وتحسب في المقابل النبضات عبر CUP أو CDN ، ويتم إعادة ضبط العداد في كل مرة يتم فيها تغيير اتجاه النبض عبر CUP إلى بدائل CDN أو يتغير.

يتم تنشيط دبوس الإخراج الممثل كـ OUT فقط عند اكتشاف عدد كافٍ من النبضات عبر CUP أو CDN. لا تؤدي المستويات المتواضعة من التداخل أو التفاعلات البطيئة عبر المستشعر أو سعة الإدخال إلى أي تأثير على تشغيل الخرج.

تقوم الرقاقة بتدوين العديد من الشروط مثل أنماط الشحن / التفريغ غير المتكافئة بحيث يتم عرض تبديل الإخراج المؤكد والتخلص من الكشف الزائف.

انطلاقة متقدمة

يشتمل IC على دائرة بدء تشغيل متقدمة تمكن الرقاقة من الوصول إلى التوازن بسرعة كبيرة بمجرد تشغيل الإمداد بها.

داخليًا ، يتم تكوين دبوس OUT باعتباره مصرفًا مفتوحًا يبدأ التثبيت بمنطق عالي (Vdd) بحد أقصى 20 مللي أمبير للحمل المرفق. في حالة تعرض المخرجات لأحمال تزيد عن 30 مللي أمبير ، يتم فصل الإمداد على الفور بسبب ميزة حماية الدائرة القصيرة التي يتم تشغيلها على الفور.
هذا pinout متوافق أيضًا مع CMOS وبالتالي يصبح مناسبًا لجميع الأحمال المستندة إلى CMOS أو مراحل الدائرة.

كما ذكرنا سابقًا ، ترتبط معلمة معدل أخذ العينات 'fs' بأنها 50 ٪ من التردد المستخدم في شبكة توقيت RC. يمكن تعيين معدل أخذ العينات عبر فترة محددة مسبقًا من خلال تحديد قيمة CCLIN بشكل مناسب.

تردد مذبذب معدل داخليا بنسبة 4٪ من خلال إشارة شبه عشوائية يمنع أي فرصة للتداخل من ترددات التيار المتردد المحيطة.

وضع محدد حالة الإخراج

يتميز IC أيضًا بـ 'وضع تحديد حالة الإخراج' المفيد الذي يمكن استخدامه لتمكين دبوس الإخراج إما في الحالة أحادية الاستقرار أو ثنائية الاستقرار استجابةً للاستشعار السعوي لمدخل الإدخال. يتم تقديمها بالطريقة التالية:

الوضع رقم 1 (تم تمكين TYPE في Vss): يصبح الإخراج نشطًا لـ sp طالما أن الإدخال محتفظ به تحت التأثير السعوي الخارجي.

الوضع رقم 2 (تم تمكين TYPE عند VDD / NTRESD): في هذا الوضع ، يتم تبديل الإخراج بالتناوب إلى وضع التشغيل والإيقاف (مرتفع ومنخفض) استجابة للتفاعل السعوي اللاحق عبر رقاقة المستشعر.

الوضع رقم 3 (تم تمكين CTYPE بين TYPE و VSS): مع هذا الشرط ، يتم تشغيل دبوس الإخراج (منخفض) لبعض المدة الزمنية المحددة مسبقًا استجابة لكل مدخلات استشعار سعوية ، والتي تتناسب مدتها مع قيمة CTYPE ويمكن أن تتنوع بمعدل 2.5 مللي ثانية لكل سعة nF.

يمكن أن تكون القيمة القياسية لـ CTYPE للتغلب على تأخير 10 مللي ثانية في الوضع رقم 3 4.7nF ، والحد الأقصى المسموح به لـ CTYPE هو 470nF ، مما قد ينتج عنه تأخير لحوالي ثانية. يتم ببساطة تجاهل أي تدخلات أو تأثيرات سعوية مفاجئة خلال هذه الفترة.

كيفية استخدام الدائرة

في الأقسام التالية نتعلم تكوين دائرة نموذجي باستخدام نفس الدائرة المتكاملة والتي يمكن تطبيقها في جميع المنتجات التي تتطلب دقة عن بعد عمليات تحفيز القرب .

يمكن استخدام مستشعر القرب السعوي المقترح بشكل متنوع في العديد من التطبيقات المختلفة كما هو موضح في البيانات التالية:

يمكن مشاهدة تكوين نموذجي للتطبيق باستخدام IC أدناه:

تكوين دائرة التطبيق

يتم إرفاق مصدر الإدخال + بـ VDD. يُفضل توصيل مكثف التجانس عبر VDD والأرضي وأيضًا عبر VDDUNTREGD والأرضي للحصول على عمل أكثر موثوقية للشريحة.

قيمة السعة لـ COLIN كما تم إنتاجها على pin CLIN تعمل على إصلاح معدل أخذ العينات بشكل فعال. قد تؤدي زيادة معدل أخذ العينات إلى تعزيز وقت التفاعل على مدخلات الاستشعار مع زيادة متناسبة في الاستهلاك الحالي

لوحة استشعار القرب

يمكن أن تكون لوحة الاستشعار بالسعة على شكل رقائق معدنية مصغرة أو لوحة محمية ومعزولة بطبقة غير موصلة.

يمكن إنهاء منطقة الاستشعار هذه إما على مسافات أطول عبر كبل متحد المحور CCABLE قد تكون أطرافه الأخرى مرتبطة بـ IN الخاص بـ IC ، أو يمكن توصيل اللوحة ببساطة مباشرة بـ INpinout من IC اعتمادًا على احتياجات التطبيق.

تم تجهيز IC بدائرة مرشح تمرير منخفض داخلي تساعد على قمع جميع أشكال تداخلات الترددات الراديوية التي قد تحاول إفساح الطريق إلى IC من خلال دبوس IN الخاص بـ IC.

بالإضافة إلى ذلك ، كما هو موضح في الرسم البياني ، يمكن للمرء أيضًا إضافة تكوين خارجي باستخدام RF و CF لزيادة تعزيز قمع التردد اللاسلكي وتعزيز مناعة التردد اللاسلكي للدائرة.

من أجل تحقيق الأداء الأمثل من الدائرة ، يوصى بأن يكون مجموع قيم السعة لـ CSENSE + CCABLE + Cp ضمن نطاق مناسب معين ، يمكن أن يكون المستوى الجيد حوالي 30pF.

يساعد هذا حلقة التحكم على العمل بطريقة أفضل مع السعة الثابتة عبر CSENSE لمعادلة التفاعلات الأبطأ نوعًا ما على لوحة الاستشعار بالسعة.

تحقيق مدخلات سعوية متزايدة

لتحقيق مستويات متزايدة من المدخلات السعوية ، قد يوصى بتضمين مقاوم إضافي Rc كما هو موضح في الرسم التخطيطي مما يساعد على التحكم في وقت التفريغ وفقًا لمواصفات متطلبات التوقيت الداخلية.

تصبح مساحة المقطع العرضي للوحة الاستشعار المرفقة أو رقاقة الاستشعار متناسبة بشكل مباشر مع حساسية الدائرة ، بالاقتران مع قيمة مكثف Ccpc ، مما يقلل من قيمة Ccpc يمكن أن يؤثر بشكل كبير على حساسية لوحة الاستشعار. لذلك لتحقيق قدر فعال من الحساسية ، يمكن زيادة Ccpc بالشكل الأمثل ووفقًا لذلك.

يُعزى pinout الذي يحمل علامة CPC داخليًا بمقاومة عالية وبالتالي يمكن أن يكون عرضة لتيارات التسرب.

تأكد من اختيار Ccpc بجودة عالية PPC من نوع مكثف MKT أو نوع X7R للحصول على الأداء الأمثل من التصميم.

تعمل في درجات حرارة منخفضة

في حالة تصميم النظام ليتم تشغيله بسعة دخل مقيدة تصل إلى 35pF ودرجات حرارة متجمدة -20 درجة مئوية ، فقد يكون من المستحسن خفض جهد الإمداد إلى IC إلى حوالي 2.8 فولت. يؤدي هذا بدوره إلى خفض نطاق التشغيل لجهد Vlicpc الذي تتراوح مواصفاته بين 0.6V إلى VDD - 0.3V.

علاوة على ذلك ، قد يؤدي خفض نطاق تشغيل Vucpc إلى خفض نطاق سعة الإدخال للدائرة بشكل متناسب.

أيضًا ، قد يلاحظ المرء أنه مع زيادة قيمة Vucpc مع انخفاض درجات الحرارة كما هو موضح في الرسوم البيانية ، مما يخبرنا لماذا يساعد خفض جهد الإمداد بشكل مناسب في خفض درجات الحرارة.

مواصفات المكونات الموصى بها

يشير الجدول 6 والجدول 7 إلى النطاق الموصى به لقيم المكونات التي يمكن اختيارها بشكل مناسب وفقًا لمواصفات التطبيق المطلوبة مع الإشارة إلى التعليمات المذكورة أعلاه.

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