3 circuitos de sensores de proximidade capacitivos fáceis explorados

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Neste artigo, discutimos de forma abrangente 3 circuitos básicos de sensores de proximidade com muitos circuitos de aplicação e recursos detalhados do circuito. Os primeiros dois circuitos de sensores de proximidade capacitivos usam conceitos baseados em IC 741 e IC 555 simples, enquanto o último é um pouco mais preciso e incorpora um design baseado em IC PCF8883 de precisão

1) Usando IC 741

O circuito explicado abaixo pode ser configurado para ativar um relé ou qualquer carga adequada, como um torneira , assim que o corpo humano ou a mão se aproximarem da placa do sensor capacitivo. Com condições específicas, a proximidade da mão é apenas suficiente para acionar a saída do circuito.



Detector de proximidade do circuito sensor de toque capacitivo IC 741

Uma entrada de alta impedância é fornecida por Q1, que é um transistor de efeito de campo regular como 2N3819. Um amplificador operacional 741 padrão é empregado na forma de uma chave de nível de tensão sensível que subsequentemente aciona o buffer de corrente Q2, um transistor bipolar pnp de corrente média, ativando assim o relé que pode estar acostumado a comutar um dispositivo, como alarmes, torneira, etc. .

Enquanto o circuito está na condição de espera inativa, a voltagem no pino 3 do amplificador operacional é fixada em um nível maior do que o nível de voltagem do pino 2, ajustando apropriadamente o VR1 predefinido.



Isso garante que a tensão no pino de saída 6 será alta, fazendo com que o transistor Q2 e o relé permaneçam desligados.

Quando o dedo é aproximado da placa do sensor ou tocado levemente, uma redução de polarização oposta VGS aumentará a corrente de drenagem do FET Q1 e a queda resultante através da voltagem R1 reduzirá a voltagem do pino 3 do amplificador operacional abaixo da voltagem existente em pino 2.

Isso fará com que a tensão do pino 6 caia e, consequentemente, ligue o relé por meio de Q2. O resistor R4 pode ser determinado para que o relé seja mantido DESLIGADO sob condições normais, considerando que uma pequena tensão positiva off set pode se desenvolver na saída do pino 6 do amplificador operacional, mesmo se a tensão do pino 3 for menor que a do pino 2 em o estado quiescente (inativo). Este problema pode ser resolvido simplesmente adicionando um LED em série com a base Q2.

2) Usando IC 555

A postagem explica um circuito de sensor de proximidade capacitivo baseado em IC 555 eficaz que pode ser usado para detectar intrusos perto de um objeto de preço, como seu veículo. A ideia foi solicitada pelo Sr. Max Payne.

O Pedido de Circuito

Olá Swagatam,

Poste um circuito capacitivo / corporal / sensível que pode ser aplicado na bicicleta. Tal dispositivo visto no sistema de segurança do carro, quando alguém se aproximar do carro ou um simples 1 próximo a ch acionaria o alarme por 5 segundos.

Como funciona esse tipo de alarme, o alarme só dispara quando alguém se aproxima (digamos 30cm) que tipo de sensor eles usam?

Diagrama de circuito

Circuito de chave capacitiva IC 555

Cortesia da imagem do circuito: Elektor Electronics

O design

O circuito do sensor capacitivo pode ser compreendido com a ajuda da seguinte descrição:

IC1 é basicamente conectado como astável, mas sem incorporar um capacitor real. Aqui, uma placa capacitiva é introduzida e assume a posição do capacitor necessário para a operação astável.

Deve-se notar que uma placa capacitiva maior produzirá uma resposta melhor e mais confiável do circuito.

Uma vez que o circuito foi projetado para funcionar como um sistema de segurança de alerta de proximidade da carroceria de um veículo, a própria carroceria poderia ser usada como a placa capacitiva e, sendo enorme em volume, seria adequada para a aplicação.

Uma vez que a placa do sensor de proximidade capacitiva é integrada, o IC555 entra em uma posição de espera para as ações astáveis.

Ao detectar um elemento de 'terra' nas proximidades, que pode ser a mão de um humano, a capacitância necessária é desenvolvida através do pino 2/6 e terra do IC.

O resultado acima resulta em um desenvolvimento instantâneo de frequência conforme o IC começa a oscilar em seu modo astável.

O sinal astável é adquirido no pino 3 do IC, que é apropriadamente 'integrado' com a ajuda de R3, R4, R5 junto com C3 ---- C5.

O resultado 'integrado' é alimentado para um estágio OP equipado como um comparador.

O comparador formado em torno de IC2 responde a essa mudança de IC1 e a traduz em uma tensão de disparo, operando T1 e o relé correspondente.

O relé pode ser conectado com uma sirene ou buzina para o alarme necessário.

No entanto, é visto praticamente que IC1 produz um pulso de tensão de pico positivo a negativo no instante em que um aterramento caapcitivo é detectado perto da placa.

IC2 apenas responde a este aumento repentino na tensão de pico para o acionamento necessário.

Se o corpo capacitivo continuar próximo da placa, a tensão de frequência de pico no pino 3 desaparece para um nível que pode ser indetectável por IC2, tornando-o inativo, o que significa que o relé permanece ativo apenas no instante em que o elemento capacitivo é trazido ou removido próximo à superfície da placa.

P1, P2 pode ser ajustado para adquirir sensibilidade máxima da placa capacitiva
Para obter uma ação de travamento, a saída de IC2 pode ser ainda integrada a um circuito flip-flop, tornando o circuito do sensor de proximidade capacitivo extremamente preciso e responsivo

3) Usando IC PCF8883

O IC PCF8883 foi projetado para funcionar como uma chave de sensor de proximidade capacitiva de precisão por meio de uma tecnologia digital exclusiva (patenteada pela EDISEN) para detectar a menor diferença na capacitância em torno de sua placa de detecção especificada.

Principais características

As principais características deste sensor capacitivo de proximidade especializado podem ser estudadas conforme a seguir:

Características do IC PCF8883 deste sensor capacitivo especializado de toque e proximidade

A imagem a seguir mostra a configuração interna do IC PCF8883

Diagrama interno IC PCF8883

O IC não depende do tradicional modo de capacitância dinâmica de detecção em vez disso, detecta a variação na capacitância estática, empregando correção automática por meio de autocalibração contínua.

O sensor está basicamente na forma de uma pequena folha condutora que pode ser integrada diretamente com as pinagens relevantes do IC para a detecção capacitiva pretendida ou talvez terminada em distâncias mais longas através de cabos coaxiais para permitir operações de detecção capacitiva remota de proximidade precisas e eficazes

As figuras a seguir representam os detalhes da pinagem do IC PCF8883. O funcionamento detalhado das várias pinagens e dos circuitos embutidos pode ser entendido com os seguintes pontos:

Especificações do IC PCF8883

Detalhes de pinagem do IC PCF8883

detalhes de pinagem do IC PCF8883

A pinagem IN que deve ser conectada com a folha de detecção capacitiva externa está conectada com a rede RC interna dos CIs.

O tempo de descarga fornecido por 'tdch' da rede RC é comparado com o tempo de descarga da segunda rede RC in-bult denotada como 'tdchimo'.

As duas redes RC passam por carregamento periódico por VDD (INTREGD) por meio de um par de redes de comutação idênticas e sincronizadas e, posteriormente, descarregadas com a ajuda de um resistor para Vss ou terra

A taxa na qual esta descarga de carga é executada é regulada por uma taxa de amostragem denotada por 'fs'.

No caso de se observar que a diferença de potencial está caindo abaixo da tensão de referência VM definida internamente, a saída correspondente do comparador tende a se tornar baixa. O nível lógico que segue os comparadores identifica o comparador exato que realmente poderia mudar antes do outro.

E se o comparador superior for identificado como tendo disparado primeiro, isso resultará em um pulso sendo renderizado em CUP, enquanto se o comparador inferior for detectado como tendo comutado antes do superior, então o pulso é habilitado no CDN.

Os pulsos acima se engajam no controle do nível de carga sobre o capacitor externo Ccpc associado ao pino CPC. Quando um pulso é gerado no CUP, o Ccpc é carregado por meio de VDDUNTREGD por um determinado período de tempo, o que dispara um potencial crescente no Ccpc.

Na mesma linha, quando um pulso é processado no CDN, o Ccpc fica conectado com o dispositivo dissipador de corrente ao aterramento que descarrega o capacitor, causando o colapso de seu potencial.

Sempre que a capacitância no pino IN fica mais alta, ela aumenta correspondentemente o tempo de descarga tdch, o que faz com que a tensão no comparador relevante caia em um tempo correspondentemente mais longo. Quando isso ocorre, a saída do comparador tende a ficar baixa, o que, por sua vez, gera um pulso em CDN forçando o capacitor externo CCP a descarregar em um grau menor.

Isso implica que o CUP agora gera a maioria dos pulsos, o que faz com que o CCP carregue ainda mais sem passar por nenhuma outra etapa.

Apesar disso, o recurso de calibração automática controlada por tensão do IC, que se baseia em um 'ismo' de regulação de corrente de dreno associado ao pino IN, faz um esforço para equilibrar o tempo de descarga tdch referindo-se a um tempo de descarga definido internamente tdcmef.

A tensão no Ccpg é controlada pela corrente e se torna responsável pela descarga da capacitância em IN bastante rapidamente sempre que o potencial no CCP é detectado estar aumentando. Isso equilibra perfeitamente o aumento da capacitância no pino de entrada IN.

Este efeito dá origem a um sistema de rastreamento de malha fechada que monitora continuamente e se engaja em uma equalização automática do tempo de descarga tdch com referência a tdchlmf.

Isso ajuda a corrigir variações lentas na capacitância na pinagem IN do IC. Durante os estados de carga rápida, por exemplo, quando um dedo humano se aproxima da folha de detecção rapidamente, a compensação discutida pode não acontecer, em condições de equilíbrio, a duração do período de descarga não difere, fazendo com que o pulso flutue alternadamente entre CUP e CDN.

Isso implica ainda que, com valores de Ccpg maiores, uma variação de tensão relativamente restrita para cada pulso pode ser esperada para CUP ou CDN.

Portanto, o dissipador de corrente interno dá origem a uma compensação mais lenta, aumentando assim a sensibilidade do sensor. Ao contrário, quando o CCP sofre uma diminuição, faz com que a sensibilidade do sensor diminua.

sensor capacitivo usando IC PCF8883

Monitor de sensor embutido

Um estágio de contador embutido monitora os disparos do sensor e, correspondentemente, conta os pulsos através do CUP ou CDN, o contador é zerado cada vez que a direção do pulso através do CUP para o CDN alterna ou muda.

O pino de saída representado como OUT sofre uma ativação somente quando um número adequado de pulsos em CUP ou CDN é detectado. Níveis modestos de interferência ou interações lentas no sensor ou capacitância de entrada não produzem nenhum efeito no acionamento de saída.

O chip registra várias condições, como padrões de carga / descarga desiguais, de modo que uma comutação de saída confirmada seja processada e a detecção espúria seja eliminada.

Inicialização avançada

O IC inclui um circuito de inicialização avançado que permite que o chip atinja o equilíbrio rapidamente, assim que a alimentação for ligada.

Internamente, o pino OUT é configurado como um dreno aberto que inicia a pinagem com uma lógica alta (Vdd) com um máximo de 20mA de corrente para uma carga anexada. Caso a saída seja submetida a cargas acima de 30mA, a alimentação é instantaneamente desconectada devido ao recurso de proteção contra curto-circuito que é acionado instantaneamente.
Esta pinagem também é compatível com CMOS e, portanto, torna-se apropriada para todas as cargas baseadas em CMOS ou estágios de circuito.

Conforme mencionado anteriormente, o parâmetro de taxa de amostragem 'fs' se relaciona com 50% da frequência empregada com a rede de temporização RC. A taxa de amostragem pode ser definida em um intervalo predeterminado, fixando apropriadamente o valor de CCLIN.

Uma frequência de oscilador modulada internamente a 4% por meio de um sinal pseudo-aleatório inibe qualquer chance de interferências de frequências AC circundantes.

Modo de seleção de estado de saída

O IC também apresenta um 'modo de seleção de estado de saída' útil, que pode ser usado para habilitar o pino de saída para um estado monoestável ou biestável em resposta à detecção capacitiva da pinagem de entrada. É renderizado da seguinte maneira:

Modo # 1 (TIPO habilitado em Vss): A saída é tornada ativa por sp desde que a entrada seja mantida sob a influência capacitiva externa.

Modo # 2 (TIPO habilitado em VDD / NTRESD): Neste modo, a saída é alternadamente LIGADA e DESLIGADA (alta e baixa) em resposta à interação capacitiva subsequente através da folha do sensor.

Modo # 3 (CTYPE habilitado entre TYPE e VSS): Com esta condição, o pino de saída é acionado (baixo) por algum período de tempo predeterminado em resposta a cada entrada de detecção capacitiva, cuja duração é proporcional ao valor de CTYPE e pode ser variada com uma taxa de 2,5 ms por capacitância nF.

Um valor padrão para CTYPE para obter em torno de um atraso de 10 ms no modo # 3 pode ser 4,7nF, e o valor máximo permitido para CTYPE sendo 470nF, o que pode resultar em um atraso de cerca de um segundo. Quaisquer intervenções capacitivas abruptas ou influências durante este período são simplesmente ignoradas.

Como usar o circuito

Nas seções a seguir, aprendemos uma configuração típica de circuito usando o mesmo IC, que pode ser aplicada em todos os produtos que requerem controle remoto de precisão operações estimuladas por proximidade .

O sensor de proximidade capacitivo proposto pode ser utilizado diversamente em muitas aplicações diferentes, conforme indicado nos seguintes dados:

Uma configuração típica de aplicativo usando o IC pode ser testemunhada abaixo:

Configuração de Circuito de Aplicação

A fonte de entrada + é conectada ao VDD. Um capacitor de suavização pode ser conectado preferencialmente através de VDD e terra e também através de VDDUNTREGD e terra para um funcionamento mais confiável do chip.

O valor da capacitância de COLIN conforme produzido no pino CLIN fixa a taxa de amostragem de forma eficaz. O aumento da taxa de amostragem pode permitir melhorar o tempo de reação na entrada de detecção com um aumento proporcional no consumo de corrente

Placa do sensor de proximidade

A placa de detecção capacitiva pode ser na forma de uma folha de metal em miniatura ou placa blindada e isolada com uma camada não condutora.

Esta área de detecção pode ser terminada em distâncias mais longas por meio de um cabo coaxial CCABLE cujas outras extremidades podem ser conectadas com a IN do IC, ou a placa pode ser simplesmente conectada diretamente com o INpinout do IC, dependendo das necessidades da aplicação.

O IC é equipado com um circuito de filtro passa-baixo interno que ajuda a suprimir todas as formas de interferências de RF que podem tentar fazer caminho para o IC através do pino IN do IC.

Além disso, conforme indicado no diagrama, pode-se também adicionar uma configuração externa usando RF e CF para aumentar ainda mais a supressão de RF e reforçar a imunidade de RF para o circuito.

Para obter um desempenho ideal do circuito, é recomendado que a soma dos valores de capacitância de CSENSE + CCABLE + Cp esteja dentro de uma dada faixa apropriada, um bom nível poderia ser em torno de 30pF.

Isso ajuda o circuito de controle a funcionar de uma maneira melhor com a capacitância estática sobre CSENSE para equalizar as interações mais lentas na placa capacitiva de detecção.

Atingir Entradas Capacitivas Aumentadas

Para alcançar níveis aumentados de entradas capacitivas, pode ser recomendado incluir um resistor Rc suplementar, conforme indicado no diagrama, que ajuda a controlar o tempo de descarga de acordo com as especificações internas de tempo.

A área da seção transversal da placa de detecção anexada ou uma folha de detecção torna-se diretamente proporcional à sensibilidade do circuito, em conjunto com o valor do capacitor Ccpc, reduzir o valor de Ccpc pode afetar significativamente a sensibilidade da placa de detecção. Portanto, para atingir uma quantidade eficaz de sensibilidade, o Ccpc pode ser aumentado de maneira ideal e adequada.

A pinagem marcada com CPC é internamente atribuída a uma alta impedância e, portanto, pode ser suscetível a correntes de fuga.

Certifique-se de que o Ccpc seja escolhido com um PPC de alta qualidade do tipo de capacitor MKT ou do tipo X7R para obter o desempenho ideal do projeto.

Operando em baixas temperaturas

No caso de o sistema ser operado com uma capacitância de entrada restrita de até 35pF e em temperaturas de congelamento -20 graus C, então pode ser aconselhável reduzir a tensão de alimentação do IC para cerca de 2,8V. Isso, por sua vez, reduz a faixa de operação da tensão Vlicpc, cuja especificação está entre 0,6 V a VDD - 0,3 V.

Além disso, a redução da faixa de operação do Vucpc pode resultar na redução da faixa de capacitância de entrada do circuito proporcionalmente.

Além disso, pode-se notar que conforme o valor de Vucpc aumenta com a diminuição das temperaturas, conforme demonstrado nos diagramas, o que nos diz por que reduzir adequadamente a tensão de alimentação ajuda a diminuir as temperaturas.

Especificações de componentes recomendadas

A Tabela 6 e a Tabela 7 indicam a faixa recomendada dos valores dos componentes que podem ser escolhidos apropriadamente de acordo com as especificações de aplicação desejadas com referência às instruções acima.

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




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