3 circuitos de sensores de proximidad capacitivos fáciles explorados

En esta publicación, analizamos exhaustivamente tres circuitos básicos de sensores de proximidad con muchos circuitos de aplicación y características detalladas del circuito. Los dos primeros circuitos de sensores de proximidad capacitivos utilizan conceptos simples basados ​​en IC 741 e IC 555, mientras que el último es un poco más preciso e incorpora un diseño basado en IC PCF8883 de precisión

1) Utilizando IC 741

El circuito que se explica a continuación se puede configurar para activar un relé o cualquier carga adecuada, como un grifo de agua , tan pronto como el cuerpo humano o la mano se acerquen a la placa del sensor capacitivo. Con condiciones específicas, la proximidad de la mano solo es suficiente para activar la salida del circuito.

Q1, que es un transistor de efecto de campo regular como el 2N3819, proporciona una entrada de alta impedancia. Se emplea un amplificador operacional 741 estándar en forma de un interruptor de nivel de voltaje sensible que posteriormente impulsa el búfer de corriente Q2, un transistor bipolar pnp de corriente media, activando así el relé que puede estar acostumbrado a cambiar un dispositivo, como alarmas, grifos, etc. .

Mientras el circuito está en la condición de espera inactiva, el voltaje en el pin 3 del amplificador operacional se fija en un nivel de voltaje mayor que el pin 2 ajustando apropiadamente el valor preestablecido VR1.

Esto asegura que el voltaje en el pin de salida 6 será alto, lo que hará que el transistor Q2 y el relé permanezcan apagados.

Cuando el dedo se acerca a la placa del sensor o se toca ligeramente, una disminución de VGS de polarización opuesta aumentará la corriente de drenaje del FET Q1 y la caída resultante en el voltaje R1 reducirá el voltaje del pin 3 del amplificador operacional por debajo del voltaje existente en pin 2.

Esto hará que el voltaje del pin 6 caiga y, en consecuencia, encienda el relé por medio de Q2. La resistencia R4 podría determinarse para que el relé se mantenga APAGADO en condiciones normales, teniendo en cuenta que podría desarrollarse un pequeño voltaje de compensación positiva en la salida del pin 6 del amplificador operacional, incluso si el voltaje del pin 3 es menor que el voltaje del pin 2 en el estado de reposo (inactivo). Este problema podría solucionarse simplemente agregando un LED en serie con la base Q2.

2) Utilizando IC 555

La publicación explica un circuito de sensor de proximidad capacitivo basado en IC 555 efectivo que puede usarse para detectar intrusos cerca de un objeto de precio como su vehículo. La idea fue solicitada por el Sr. Max Payne.

La solicitud de circuito

Hola Swagatam,

Por favor, publique un circuito capacitivo / corporal / sensible que se puede aplicar en bicicleta. Dicho dispositivo visto en el sistema de seguridad del automóvil, cuando alguien se acerca al automóvil o un simple 1 en la proximidad del canal, dispara la alarma durante 5 segundos.

¿Cómo funciona este tipo de alarma, la alarma solo se dispara cuando alguien se acerca (digamos 30cm) qué tipo de sensor usan?

Diagrama de circuito

Cortesía de la imagen del circuito: Elektor Electronics

El diseño

El circuito del sensor capacitivo se puede entender con la ayuda de la siguiente descripción:

IC1 está básicamente cableado como un astable, pero sin incorporar un condensador real. Aquí se introduce una placa capacitiva y toma la posición del capacitor requerida para el funcionamiento astable.

Debe tenerse en cuenta que una placa capacitiva más grande producirá una respuesta mejor y mucho más confiable del circuito.

Dado que el circuito está diseñado para funcionar como un sistema de seguridad de alerta de proximidad de la carrocería del vehículo, la propia carrocería podría usarse como la placa capacitiva, y al ser enorme en volumen se adaptaría bastante bien a la aplicación.

Una vez que se integra la placa del sensor de proximidad capacitivo, el IC555 entra en una posición de espera para las acciones astable.

Al detectar un elemento de 'tierra' en una proximidad cercana, que podría ser la mano de un humano, la capacitancia requerida se desarrolla a través del pin2 / 6 y la tierra del IC.

Lo anterior da como resultado un desarrollo instantáneo de frecuencia a medida que el CI comienza a oscilar en su modo astable.

La señal astable se adquiere en el pin3 del IC que está apropiadamente 'integrado' con la ayuda de R3, R4, R5 junto con C3 ---- C5.

El resultado 'integrado' se alimenta a una etapa de amplificador operacional aparejada como comparador.

El comparador formado alrededor de IC2 responde a este cambio de IC1 y lo traduce en un voltaje de activación, operando T1 y el relé correspondiente.

El relé puede estar cableado con una sirena o una bocina para la alarma requerida.

Sin embargo, se ve prácticamente que IC1 produce un pulso de voltaje máximo de positivo a negativo en el instante en que se detecta una tierra capcitiva cerca de la placa.

IC2 responde únicamente a este aumento repentino en el voltaje máximo para el disparo requerido.

Si el cuerpo capacitivo continúa estando muy cerca de la placa, el voltaje de frecuencia pico en el pin3 desaparece a un nivel que puede ser indetectable por IC2, dejándolo inactivo, lo que significa que el relé permanece activo solo en el instante en que se trae el elemento capacitivo. o quitado cerca de la superficie de la placa.

P1, P2 se pueden ajustar para adquirir la máxima sensibilidad de la placa capacitiva
Para obtener una acción de enclavamiento, la salida de IC2 puede integrarse aún más en un circuito flip flop, lo que hace que el circuito del sensor de proximidad capacitivo sea extremadamente preciso y sensible.

3) Utilizando IC PCF8883

El IC PCF8883 está diseñado para funcionar como un interruptor de sensor de proximidad capacitivo de precisión a través de una tecnología digital única (patentada por EDISEN) para detectar la diferencia más mínima en la capacitancia alrededor de su placa de detección especificada.

Principales características

Las principales características de este sensor de proximidad capacitivo especializado se pueden estudiar como se indica a continuación:

La siguiente imagen muestra la configuración interna del IC PCF8883

El IC no se basa en el tradicional modo de detección de capacitancia dinámica más bien detecta la variación en la capacitancia estática empleando la corrección automática a través de la autocalibración continua.

El sensor tiene básicamente la forma de una pequeña lámina conductora que puede integrarse directamente con los pines relevantes del IC para la detección capacitiva prevista o tal vez terminar a distancias más largas a través de cables coaxiales para permitir operaciones de detección de proximidad capacitiva remota precisa y efectiva

Las siguientes figuras representan los detalles de distribución de pines del IC PCF8883. El funcionamiento detallado de los diversos pines y los circuitos integrados se puede entender con los siguientes puntos:

Detalles de los pines del IC PCF8883

El pinout IN que se supone que está conectado con la lámina de detección capacitiva externa está vinculado con la red RC interna de los circuitos integrados.

El tiempo de descarga dado por 'tdch' de la red RC se compara con el tiempo de descarga de la segunda red RC in-bult denotado como 'tdchimo'.

Las dos redes RC pasan por carga periódica por VDD (INTREGD) a través de un par de redes de conmutación idénticas y sincronizadas, y posteriormente se descargan con la ayuda de una resistencia a Vss o al suelo.

La velocidad a la que se ejecuta esta descarga de carga está regulada por una velocidad de muestreo indicada por 'fs'.

En caso de que se observe que la diferencia de potencial cae por debajo del voltaje de referencia VM establecido internamente, la salida correspondiente del comparador tiende a ser baja. El nivel lógico que sigue a los comparadores identifica el comparador exacto que realmente podría cambiar antes que el otro.

Y si se identifica que el comparador superior ha disparado primero, esto da como resultado un pulso que se representa en CUP, mientras que si se detecta que el comparador inferior ha cambiado antes que el superior, entonces el pulso se habilita en CDN.

Los pulsos anteriores se dedican a controlar el nivel de carga sobre el condensador externo Ccpc asociado con el pin CPC. Cuando se genera un pulso en CUP, el Ccpc se carga a través de VDDUNTREGD durante un período de tiempo dado que activa un potencial creciente en Ccpc.

En la misma línea, cuando se genera un pulso en CDN, el Ccpc se vincula con el dispositivo de sumidero de corriente a tierra, lo que descarga el capacitor y hace que su potencial colapse.

Siempre que la capacitancia en el pin IN aumenta, aumenta correspondientemente el tiempo de descarga tdch, lo que hace que el voltaje en el comparador relevante caiga en un tiempo correspondientemente más largo. Cuando esto ocurre, la salida del comparador tiende a bajar, lo que a su vez genera un pulso en la CDN que obliga al condensador externo CCP a descargarse en un grado menor.

Esto implica que CUP ahora genera la mayoría de los pulsos, lo que hace que CCP se cargue aún más sin pasar por ningún otro paso.

A pesar de esto, la función de calibración automática controlada por voltaje del IC que se basa en un 'ismo' de regulación de corriente de sumidero asociado con el pin IN hace un esfuerzo por equilibrar el tiempo de descarga tdch refiriéndolo con un tiempo de descarga establecido internamente tdcmef.

El voltaje a través de Ccpg se controla por corriente y se vuelve responsable de la descarga de la capacitancia en IN con bastante rapidez siempre que se detecta que el potencial a través de CCP está aumentando. Esto equilibra perfectamente la capacitancia creciente en el pin de entrada IN.

Este efecto da lugar a un sistema de seguimiento de bucle cerrado que supervisa continuamente y se acopla en una ecualización automática del tiempo de descarga tdch con referencia a tdchlmf.

Esto ayuda a corregir las variaciones lentas en la capacitancia a través del pinout IN del IC. Durante los estados de carga rápida, por ejemplo, cuando un dedo humano se acerca rápidamente a la lámina de detección, es posible que la compensación discutida no se produzca; en condiciones de equilibrio, la duración del período de descarga no difiere, lo que hace que el pulso fluctúe alternativamente entre CUP y CDN.

Esto implica además que con valores de Ccpg más grandes, se puede esperar una variación de voltaje relativamente restringida para cada pulso para CUP o CDN.

Por lo tanto, el sumidero de corriente interno da lugar a una compensación más lenta, mejorando así la sensibilidad del sensor. Por el contrario, cuando CCP experimenta una disminución, la sensibilidad del sensor disminuye.

Monitor de sensor incorporado

Una etapa de contador incorporada monitorea los disparos del sensor y, en consecuencia, cuenta los pulsos a través de CUP o CDN, el contador se reinicia cada vez que la dirección del pulso a través de CUP a CDN alterna o cambia.

El pin de salida representado como OUT se activa solo cuando se detecta un número adecuado de pulsos en CUP o CDN. Los niveles modestos de interferencia o interacciones lentas a través del sensor o la capacitancia de entrada no producen ningún efecto en la activación de la salida.

El chip toma nota de varias condiciones, como patrones de carga / descarga desiguales, de modo que se produce una conmutación de salida confirmada y se elimina la detección espuria.

Inicio avanzado

El IC incluye un circuito de arranque avanzado que permite que el chip alcance el equilibrio con bastante rapidez tan pronto como se enciende el suministro.

Internamente, el pin OUT está configurado como un drenaje abierto que inicia el pinout con una lógica alta (Vdd) con un máximo de 20 mA de corriente para una carga adjunta. En caso de que la salida esté sujeta a cargas superiores a 30 mA, el suministro se desconecta instantáneamente debido a la función de protección contra cortocircuitos que se activa instantáneamente.
Este pinout también es compatible con CMOS y, por lo tanto, se vuelve apropiado para todas las cargas basadas en CMOS o etapas de circuito.

Como se mencionó anteriormente, el parámetro de frecuencia de muestreo 'fs' se relaciona a sí mismo como el 50% de la frecuencia empleada con la red de temporización RC. La frecuencia de muestreo se puede establecer en un intervalo predeterminado fijando adecuadamente el valor de CCLIN.

Una frecuencia de oscilador modulada internamente al 4% a través de una señal pseudoaleatoria inhibe cualquier posibilidad de interferencias de las frecuencias de CA circundantes.

Modo de selector de estado de salida

El IC también presenta un útil 'modo de selección de estado de salida' que se puede usar para habilitar el pin de salida en el estado monoestable o biestable en respuesta a la detección capacitiva del pinout de entrada. Se representa de la siguiente manera:

Modo # 1 (TIPO habilitado en Vss): La salida se activa durante sp mientras la entrada se mantenga bajo la influencia capacitiva externa.

Modo # 2 (TIPO habilitado en VDD / NTRESD): En este modo, la salida se enciende y apaga alternativamente (alta y baja) en respuesta a la interacción capacitiva posterior a través de la lámina del sensor.

Modo # 3 (CTYPE habilitado entre TYPE y VSS): Con esta condición, el pin de salida se activa (bajo) durante un período de tiempo predeterminado en respuesta a cada entrada de detección capacitiva, cuya duración es proporcional al valor de CTYPE y se puede variar con una tasa de 2.5ms por capacitancia nF.

Un valor estándar para CTYPE para sortear un retraso de 10 ms en el modo # 3 podría ser 4.7nF, y el valor máximo permitido para CTYPE es 470nF, lo que puede resultar en un retraso de aproximadamente un segundo. Cualquier intervención o influencia capacitiva abrupta durante este período simplemente se ignora.

Cómo utilizar el circuito

En las siguientes secciones aprendemos una configuración de circuito típica usando el mismo IC que se puede aplicar en todos los productos que requieren control remoto de precisión operaciones estimuladas por proximidad .

El sensor de proximidad capacitivo propuesto se puede utilizar de manera diversa en muchas aplicaciones diferentes, como se indica en los siguientes datos:

A continuación se puede ver una configuración de aplicación típica que utiliza el IC:

Configuración del circuito de aplicación

La fuente de entrada + se adjunta con el VDD. Se puede conectar preferiblemente un condensador de suavizado a través de VDD y tierra y también a través de VDDUNTREGD y tierra para un funcionamiento más confiable del chip.

El valor de capacitancia de COLIN producido en el pin CLIN fija la frecuencia de muestreo de manera efectiva. El aumento de la velocidad de muestreo puede permitir mejorar el tiempo de reacción en la entrada de detección con un aumento proporcional en el consumo de corriente.

Placa del sensor de proximidad

La placa de detección capacitiva de detección podría tener la forma de una lámina o placa metálica en miniatura protegida y aislada con una capa no conductora.

Esta área de detección podría terminarse en distancias más largas a través de un cable coaxial CCABLE cuyos otros extremos pueden conectarse con la ENTRADA del IC, o la placa podría simplemente conectarse directamente con el INpinout del IC según las necesidades de la aplicación.

El IC está equipado con un circuito de filtro de paso bajo interno que ayuda a suprimir todas las formas de interferencias de RF que pueden intentar abrirse paso al IC a través del pin IN del IC.

Además, como se indica en el diagrama, también se puede agregar una configuración externa usando RF y CF para mejorar aún más la supresión de RF y reforzar la inmunidad a RF del circuito.

Para lograr un rendimiento óptimo del circuito, se recomienda que la suma de los valores de capacitancia de CSENSE + CCABLE + Cp esté dentro de un rango apropiado dado, un buen nivel podría estar alrededor de 30pF.

Esto ayuda a que el lazo de control funcione de mejor manera con la capacitancia estática sobre CSENSE para igualar las interacciones bastante más lentas en la placa capacitiva sensora.

Consiga mayores entradas capacitivas

Para lograr mayores niveles de entradas capacitivas, se puede recomendar incluir una resistencia suplementaria Rc como se indica en el diagrama que ayuda a controlar el tiempo de descarga según las especificaciones de requisitos de temporización interna.

El área de la sección transversal de la placa de detección adjunta o una lámina de detección se vuelve directamente proporcional a la sensibilidad del circuito, junto con el valor del condensador Ccpc, reducir el valor de Ccpc puede afectar en gran medida la sensibilidad de la placa de detección. Por lo tanto, para lograr una cantidad efectiva de sensibilidad, la Ccpc podría aumentarse de manera óptima y en consecuencia.

El pinout marcado como CPC se atribuye internamente con una alta impedancia y, por lo tanto, podría ser susceptible a corrientes de fuga.

Asegúrese de que Ccpc se elija con un PPC de alta calidad del tipo de condensador MKT o del tipo X7R para obtener un rendimiento óptimo del diseño.

Funcionamiento a bajas temperaturas

En caso de que el sistema esté destinado a funcionar con una capacitancia de entrada restringida de hasta 35pF y a temperaturas de congelación de -20 grados C, entonces puede ser aconsejable reducir el voltaje de suministro al IC a alrededor de 2.8V. Esto, a su vez, reduce el rango operativo del voltaje Vlicpc cuya especificación se encuentra entre 0,6 V a VDD - 0,3 V.

Además, la reducción del rango operativo de Vucpc podría resultar en una reducción proporcional del rango de capacitancia de entrada del circuito.

Además, uno puede notar que a medida que el valor de Vucpc aumenta con la disminución de las temperaturas, como se demuestra en los diagramas, lo que nos dice por qué bajar adecuadamente el voltaje de suministro ayuda a disminuir las temperaturas.

Especificaciones de los componentes recomendados

La Tabla 6 y la Tabla 7 indican el rango recomendado de los valores de los componentes que pueden elegirse apropiadamente según las especificaciones de la aplicación deseada con referencia a las instrucciones anteriores.

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