3 가지 쉬운 정전 용량 형 근접 센서 회로 살펴보기

이 게시물에서는 많은 애플리케이션 회로와 회로의 세부 기능이 포함 된 3 가지 기본 근접 센서 회로에 대해 포괄적으로 논의합니다. 처음 두 개의 용량 성 근접 센서 회로는 간단한 IC 741 및 IC 555 기반 개념을 사용하는 반면, 마지막 회로는 좀 더 정확하고 정밀 IC PCF8883 기반 설계를 통합합니다.

1) IC 741 사용

아래에 설명 된 회로는 릴레이 또는 다음과 같은 적절한 부하를 활성화하도록 구성 할 수 있습니다. 수도꼭지 , 인체 나 손이 정전 용량 형 센서 플레이트에 가까이 오자마자. 특정 조건에서 손 근접성은 회로 출력을 트리거하기에 충분합니다.

높은 임피던스 입력은 2N3819와 같은 일반 전계 효과 트랜지스터 인 Q1에 의해 제공됩니다. 표준 741 연산 증폭기는 민감한 전압 레벨 스위치의 형태로 채택되어 전류 버퍼 Q2, 중간 전류 pnp 바이폴라 트랜지스터를 구동하여 경보, 수도꼭지 등과 같은 장치를 전환하는 데 익숙한 릴레이를 활성화합니다. .

회로가 유휴 대기 상태에있는 동안 연산 증폭기의 핀 3의 전압은 사전 설정 VR1을 적절히 조정하여 핀 2 전압 레벨보다 높게 고정됩니다.

이렇게하면 출력 핀 6의 전압이 높아져 트랜지스터 Q2와 릴레이가 꺼진 상태로 유지됩니다.

손가락을 센서 플레이트에 가깝게 가져 오거나 가볍게 터치하면 반대 바이어스 VGS가 낮아지면 FET Q1의 드레인 전류가 증가하고 결과적으로 R1 전압에 걸친 강하는 연산 증폭기 핀 3 전압이 핀 2.

이로 인해 핀 6 전압이 떨어지고 결과적으로 Q2를 통해 릴레이가 켜집니다. 저항 R4는 핀 3 전압이 핀 2 전압보다 낮더라도 연산 증폭기 핀 6 출력에서 ​​아주 작은 양의 오프 설정 전압이 발생할 수 있다는 점을 고려하여 릴레이가 정상적인 조건에서 꺼진 상태로 유지되도록 결정될 수 있습니다. 정지 (유휴) 상태. 이 문제는 Q2베이스와 직렬로 LED를 추가하는 것만으로도 해결할 수 있습니다.

2) IC 555 사용

이 게시물은 차량과 같이 가격이 책정 된 물체 근처에서 침입자를 감지하는 데 사용할 수있는 효과적인 IC 555 기반 정전 용량 근접 센서 회로를 설명합니다. 이 아이디어는 Max Payne 씨가 요청했습니다.

회로 요청

안녕하세요 Swagatam,

용량 성 / 바디 / 민감 회로를 게시하십시오. 자전거에 적용 할 수 있습니다. 자동차 보안 시스템에서 볼 수있는 이러한 장치는 누군가가 차에 가까이 다가 가거나 채널에서 간단한 1 인 경우 5 초 동안 경보를 울립니다.

이러한 유형의 경보는 어떻게 작동합니까? 경보는 누군가가 가까이 다가올 때 (30cm) 어떤 유형의 센서를 사용합니까?

회로도

회로 이미지 제공 : Elektor Electronics

디자인

용량 성 센서 회로는 다음 설명을 통해 이해할 수 있습니다.

IC1은 기본적으로 안정적으로 배선되지만 실제 커패시터를 통합하지 않습니다. 여기에 용량 성 플레이트가 도입되어 안정적인 작동에 필요한 커패시터의 위치를 ​​차지합니다.

더 큰 용량 성 플레이트는 회로에서 더 좋고 훨씬 안정적인 응답을 생성한다는 점에 유의해야합니다.

회로가 차체 근접 경보 보안 시스템으로 작동하도록 설계 되었기 때문에 차체 자체를 용량 성 플레이트로 사용할 수 있으며 부피가 크면 응용 분야에 매우 적합합니다.

용량 성 근접 센서 플레이트가 통합되면 IC555는 불안정한 동작을 위해 대기 위치에 들어갑니다.

사람의 손이 될 수있는 근접한 '접지'요소를 감지 할 때 필요한 커패시턴스가 IC의 핀 2/6과 접지에 발생합니다.

위의 결과는 IC가 불안정 모드에서 진동하기 시작함에 따라 주파수가 순간적으로 발전합니다.

불안정한 신호는 C3 ---- C5와 함께 R3, R4, R5의 도움으로 적절하게 '통합'된 IC의 핀 3에서 수집됩니다.

'통합'결과는 비교기로 조작 된 opamp 스테이지에 제공됩니다.

IC2 주변에 형성된 비교기는 IC1의 이러한 변화에 응답하고이를 트리거링 전압으로 변환하여 T1 및 해당 릴레이를 작동시킵니다.

릴레이는 필요한 경보를 위해 사이렌 또는 경적과 함께 배선 될 수 있습니다.

그러나 실제로 IC1은 캐패시 티브 접지가 플레이트 근처에서 감지되는 순간에 피크 포지티브에서 네거티브 전압 펄스를 생성하는 것으로 나타났습니다.

IC2는 필요한 트리거링을 위해 피크 전압의 급격한 상승에만 반응합니다.

용량 성 바디가 계속 플레이트에 근접해 있으면 핀 3의 피크 주파수 전압이 IC2에서 감지 할 수없는 수준으로 사라지고 비활성화되어 릴레이가 용량 성 요소를 가져 오는 순간에만 활성 상태를 유지합니다. 또는 플레이트 표면 근처에서 제거됩니다.

P1, P2는 용량 성 플레이트에서 최대 감도를 얻기 위해 조정할 수 있습니다.
래칭 동작을 얻기 위해 IC2의 출력은 플립 플롭 회로에 추가로 통합되어 용량 성 근접 센서 회로를 매우 정확하고 응답 성이있게 만들 수 있습니다.

3) IC PCF8883 사용

IC PCF8883은 고유 한 (EDISEN 특허) 디지털 기술을 통해 정밀 정전 용량 근접 센서 스위치처럼 작동하도록 설계되어 지정된 감지 플레이트 주변의 정전 용량의 극미 한 차이를 감지합니다.

주요 특징

이 특수 정전 용량 근접 센서의 주요 기능은 다음과 같이 연구 할 수 있습니다.

다음 이미지는 IC PCF8883의 내부 구성을 보여줍니다.

IC는 기존에 의존하지 않습니다. 동적 커패시턴스 감지 모드 오히려 지속적인 자동 교정을 통한 자동 보정을 사용하여 정적 정전 용량의 변화를 감지합니다.

센서는 기본적으로 의도 된 정전 용량 감지를 위해 IC의 관련 핀아웃과 직접 통합되거나 정확하고 효과적인 원격 정전 용량 근접 감지 작업을 가능하게하기 위해 동축 케이블을 통해 더 먼 거리로 종단 될 수있는 작은 전도성 호일의 형태입니다.

다음 그림은 IC PCF8883의 핀아웃 세부 정보를 나타냅니다. 다양한 핀아웃과 내장 회로의 자세한 기능은 다음과 같은 점에서 이해할 수 있습니다.

IC PCF8883의 핀아웃 세부 사항

외부 용량 성 감지 포일과 연결되어야하는 핀아웃 IN은 IC 내부 RC 네트워크와 연결됩니다.

RC 네트워크의 'tdch'로 주어진 방전 시간은 'tdchimo'로 표시된 두 번째 in-bult RC 네트워크의 방전 시간과 비교됩니다.

두 개의 RC 네트워크는 두 개의 동일하고 동기화 된 스위치 네트워크를 통해 VDD (INTREGD)에 의해 주기적으로 충전 된 다음 저항을 통해 Vss 또는 접지로 방전됩니다.

이 충전 방전이 실행되는 속도는 'fs'로 표시된 샘플링 속도로 조절됩니다.

전위차가 내부적으로 설정된 기준 전압 VM 아래로 떨어지면 비교기의 해당 출력이 낮아지는 경향이 있습니다. 비교기를 따르는 로직 레벨은 실제로 다른 비교기보다 먼저 전환 할 수있는 정확한 비교기를 식별합니다.

상위 비교기가 먼저 발화 한 것으로 확인되면 펄스가 CUP에 렌더링되는 반면 하위 비교기가 상위보다 먼저 전환 된 것으로 감지되면 펄스가 CDN에서 활성화됩니다.

위의 펄스는 핀 CPC와 관련된 외부 커패시터 Ccpc를 통해 충전 레벨을 제어합니다. CUP에서 펄스가 생성 될 때 Ccpc는 주어진 시간 동안 VDDUNTREGD를 통해 충전되어 Ccpc에서 전위 상승을 트리거합니다.

동일한 라인에서 펄스가 CDN에서 렌더링 될 때 Ccpc는 전류 싱크 장치와 접지되어 커패시터를 방전시켜 잠재적 인 붕괴를 초래합니다.

핀 IN의 커패시턴스가 높아질 때마다 방전 시간 tdch가 증가하여 관련 비교기 양단의 전압이 그에 따라 더 긴 시간에 떨어집니다. 이것이 발생하면 비교기의 출력이 낮아지는 경향이 있으며 이는 차례로 CDN에서 펄스를 렌더링하여 외부 커패시터 CCP가 약간 더 작은 정도로 방전되도록합니다.

이것은 CUP가 이제 대부분의 펄스를 생성하여 CCP가 추가 단계를 거치지 않고 더 많이 충전되도록 함을 의미합니다.

그럼에도 불구하고 핀 IN과 관련된 싱크 전류 조절 'ism'에 의존하는 IC의 자동 전압 제어 교정 기능은 내부적으로 설정된 방전 시간 tdcmef를 참조하여 방전 시간 tdch의 균형을 맞추기 위해 노력합니다.

Ccpg 양단의 전압은 전류로 제어되며 CCP 양단의 전위가 증가하는 것으로 감지 될 때마다 IN에서 정전 용량의 방전을 담당하게됩니다. 이것은 입력 핀 IN에서 증가하는 커패시턴스의 균형을 완벽하게 유지합니다.

이 효과는 tdchlmf를 참조하여 방전 시간 tdch의 자동 균등화를 지속적으로 모니터링하고 참여하는 폐쇄 루프 추적 시스템을 발생시킵니다.

이는 IC의 IN 핀아웃에서 커패시턴스의 느린 변동을 수정하는 데 도움이됩니다. 예를 들어 사람의 손가락이 감지 호일에 빠르게 접근 할 때 급속 충전 상태에서 논의 된 보상이 발생하지 않을 수 있습니다. 평형 상태에서 방전 기간의 길이가 다르지 않아 펄스가 CUP 및 CDN에서 교대로 변동합니다.

이는 더 큰 Ccpg 값을 사용하면 각 펄스에 대해 상대적으로 제한된 전압 변동이 CUP 또는 CDN에 대해 예상 될 수 있음을 의미합니다.

따라서 내부 전류 싱크는 더 느린 보상을 제공하여 센서의 감도를 향상시킵니다. 반대로 CCP가 감소하면 센서 감도가 저하됩니다.

내장형 센서 모니터

내장 된 카운터 스테이지는 센서 트리거를 모니터링하고 그에 따라 CUP 또는 CDN에서 펄스를 계산하며, 카운터는 CUP에서 CDN으로의 펄스 방향이 번갈아 가거나 변경 될 때마다 재설정됩니다.

OUT으로 표시된 출력 핀은 CUP 또는 CDN에서 적절한 수의 펄스가 감지 될 때만 활성화됩니다. 센서 또는 입력 커패시턴스 전체에서 중간 수준의 간섭 또는 느린 상호 작용은 출력 트리거링에 영향을주지 않습니다.

이 칩은 불균등 한 충전 / 방전 패턴과 같은 여러 조건을 기록하여 확인 된 출력 스위칭이 렌더링되고 스퓨리어스 감지가 제거됩니다.

고급 시작

IC에는 전원이 켜지 자마자 칩이 평형 상태에 빠르게 도달 할 수있는 고급 스타트 업 회로가 포함되어 있습니다.

내부적으로 핀 OUT은 연결된 부하에 대해 최대 20mA 전류로 높은 로직 (Vdd)으로 핀아웃을 시작하는 오픈 드레인으로 구성됩니다. 출력이 30mA 이상의 부하를받는 경우 즉시 트리거되는 단락 보호 기능으로 인해 전원 공급이 즉시 차단됩니다.
이 핀아웃은 CMOS 와도 호환되므로 모든 CMOS 기반 부하 또는 회로 단계에 적합합니다.

앞서 언급했듯이 샘플링 속도 매개 변수 'fs'는 RC 타이밍 네트워크에 사용되는 주파수의 50 %와 관련이 있습니다. 샘플링 속도는 CCLIN 값을 적절하게 고정하여 미리 결정된 범위에 걸쳐 설정할 수 있습니다.

의사 랜덤 신호를 통해 4 %에서 내부적으로 변조 된 발진기 주파수는 주변 AC 주파수의 간섭 가능성을 억제합니다.

출력 상태 선택기 모드

IC는 또한 입력 핀아웃의 정전 용량 감지에 응답하여 출력 핀을 단 안정 또는 쌍 안정 상태로 만드는 데 사용할 수있는 유용한 '출력 상태 선택 모드'를 제공합니다. 다음과 같은 방식으로 렌더링됩니다.

모드 # 1 (Vss에서 활성화 된 TYPE) : 입력이 외부 용량 성 영향으로 유지되는 한 출력이 활성화됩니다.

모드 # 2 (VDD / NTRESD에서 활성화 된 유형) :이 모드에서 출력은 센서 포일에 걸친 후속 정전 용량 상호 작용에 응답하여 교대로 ON 및 OFF (높음 및 낮음)로 전환됩니다.

모드 # 3 (TYPE과 VSS간에 활성화 된 CTYPE) :이 조건에서 출력 핀은 각 정전 용량 감지 입력에 응답하여 미리 정해진 시간 동안 트리거 (낮음)되며, 지속 시간은 CTYPE 값에 비례하며 변경 될 수 있습니다. nF 커패시턴스 당 2.5ms의 속도로.

모드 # 3에서 약 10ms 지연을 얻기위한 CTYPE의 표준 값은 4.7nF가 될 수 있으며 CTYPE의 최대 허용 값은 470nF로 약 1 초의 지연이 발생할 수 있습니다. 이 기간 동안 갑작스러운 정전 용량 개입 또는 영향은 무시됩니다.

회로 사용 방법

다음 섹션에서는 정밀 원격이 필요한 모든 제품에 적용 할 수있는 동일한 IC를 사용하는 일반적인 회로 구성을 배웁니다. 근접 자극 작업 .

제안 된 용량 성 근접 센서는 다음 데이터에 표시된대로 다양한 애플리케이션에서 다양하게 사용될 수 있습니다.

IC를 사용하는 일반적인 애플리케이션 구성은 아래에서 확인할 수 있습니다.

애플리케이션 회로 구성

+ 입력 공급 장치는 VDD와 함께 연결됩니다. 평활 캐패시터는 바람직하게는 칩의보다 안정적인 작동을 위해 VDD 및 접지와 VDDUNTREGD 및 접지에 걸쳐 연결될 수 있습니다.

핀 CLIN에서 생성 된 COLIN의 커패시턴스 값은 샘플링 속도를 효과적으로 고정합니다. 샘플링 속도를 높이면 전류 소비가 비례 적으로 증가하면서 감지 입력에 대한 반응 시간이 향상 될 수 있습니다.

근접 센서 플레이트

감지 용량 성 감지 플레이트는 소형 금속 포일 또는 비도 전성 층으로 차폐 및 절연 된 플레이트 형태 일 수 있습니다.

이 감지 영역은 다른 쪽 끝이 IC의 IN과 연결될 수있는 동축 케이블 CCABLE을 통해 더 먼 거리에 걸쳐 종단되거나, 애플리케이션 요구에 따라 플레이트가 IC의 INpinout에 직접 연결될 수 있습니다.

IC에는 IC의 IN 핀을 통해 IC로 들어 가려고 할 수있는 모든 형태의 RF 간섭을 억제하는 데 도움이되는 내부 저역 통과 필터 회로가 장착되어 있습니다.

또한 다이어그램에 표시된대로 RF 및 CF를 사용하여 외부 구성을 추가하여 RF 억제를 더욱 강화하고 회로에 대한 RF 내성을 강화할 수도 있습니다.

회로에서 최적의 성능을 얻으려면 CSENSE + CCABLE + Cp의 커패시턴스 값의 합이 주어진 적절한 범위 내에 있어야하며 좋은 수준은 약 30pF가 될 수 있습니다.

이를 통해 제어 루프가 CSENSE보다 정적 정전 용량으로 더 나은 방식으로 작동하여 감지 용량 성 플레이트에서 다소 느린 상호 작용을 균등화 할 수 있습니다.

증가 된 용량 성 입력 달성

증가 된 레벨의 용량 성 입력을 달성하기 위해 다이어그램에 표시된대로 내부 타이밍 요구 사항 사양에 따라 방전 시간을 제어하는 ​​데 도움이되는 보조 저항 Rc를 포함하는 것이 좋습니다.

부착 된 감지 플레이트 또는 감지 포일의 단면적은 커패시터 Ccpc의 값과 함께 회로의 감도에 정비례하여 Ccpc 값을 줄이면 감지 플레이트의 감도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 효과적인 민감도를 달성하기 위해 Ccpc를 최적으로 증가시킬 수 있습니다.

핀아웃으로 표시된 CPC는 내부적으로 높은 임피던스로 인해 발생하므로 누설 전류에 취약 할 수 있습니다.

설계에서 최적의 성능을 얻으려면 MKT 유형의 커패시터 또는 X7R 유형의 고품질 PPC로 Ccpc를 선택해야합니다.

저온에서 작동

시스템이 최대 35pF의 제한된 입력 커패시턴스와 -20 ° C의 동결 온도에서 작동하도록 의도 된 경우 IC에 대한 공급 전압을 약 2.8V로 낮추는 것이 좋습니다. 이로 인해 사양이 0.6V ~ VDD-0.3V 사이 인 Vlicpc 전압의 작동 범위가 낮아집니다.

또한 Vucpc의 작동 범위를 낮추면 회로의 입력 커패시턴스 범위가 비례 적으로 낮아질 수 있습니다.

또한 다이어그램에 표시된 것처럼 Vucpc 값이 온도가 감소함에 따라 증가함에 따라 공급 전압을 적절하게 낮추면 온도를 낮추는 데 도움이되는 이유를 알 수 있습니다.

권장 구성품 사양

표 6 및 표 7은 위의 지침을 참조하여 원하는 응용 사양에 따라 적절하게 선택할 수있는 구성 요소 값의 권장 범위를 나타냅니다.

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