3つの簡単な静電容量式近接センサー回路の調査

この投稿では、多くのアプリケーション回路と回路の詳細な機能を備えた3つの基本的な近接センサー回路について包括的に説明します。最初の2つの静電容量式近接センサー回路は単純なIC741およびIC555ベースの概念を使用していますが、最後の回路はもう少し正確で、精密なICPCF8883ベースの設計を組み込んでいます。

1）IC741を使用する

以下で説明する回路は、リレーまたは次のような適切な負荷をアクティブにするように構成できます。 給水栓 、人体または手が静電容量センサープレートに近づくとすぐに。特定の条件では、手の近接は回路出力をトリガーするのに十分です。

高インピーダンス入力は、2N3819のような通常の電界効果トランジスタであるQ1によって与えられます。標準の741オペアンプは、敏感な電圧レベルスイッチの形で採用されており、その後、中電流pnpバイポーラトランジスタである電流バッファQ2を駆動し、アラームや蛇口などのデバイスの切り替えに慣れているリレーをアクティブにします。 。

回路がアイドルスタンバイ状態にある間、オペアンプのピン3の電圧は、プリセットVR1を適切に調整することにより、ピン2の電圧レベルよりも高く固定されます。

これにより、出力ピン6の電圧が高くなり、トランジスタQ2とリレーがオフのままになります。

指をセンサープレートに近づけるか、軽く触れると、反対バイアスVGSを下げると、FET Q1のドレイン電流が増加し、結果としてR1電圧の両端が低下すると、オペアンプのピン3の電圧がに存在する電圧よりも低くなります。ピン2。

これにより、ピン6の電圧が低下し、その結果、Q2によってリレーがオンになります。ピン3の電圧がピン2の電圧よりも低い場合でも、オペアンプのピン6の出力に小さな正のオフセット電圧が発生する可能性があることを考慮して、通常の状態でリレーをオフに保つために抵抗R4を決定することができます。静止（アイドル）状態。この問題は、Q2ベースと直列にLEDを追加するだけで解決できます。

2）IC555を使用する

投稿では、車両などの高価な物体の近くに侵入者を検出するために使用できる、効果的なIC555ベースの静電容量式近接センサー回路について説明しています。アイデアはマックス・ペイン氏から依頼されました。

サーキットリクエスト

こんにちはスワガタム、

容量性/ボディ/敏感な回路を自転車に適用できることを投稿してください。カーセキュリティシステムで見られるそのようなデバイスは、誰かが車に近づくか、または単純な1インチの距離にあると、5秒間アラームをトリガーします。

このタイプのアラームはどのように機能しますか？アラームは、誰かがどのタイプのセンサーを使用しているか（たとえば30cm）近づいたときにのみトリガーされますか？

回路図

回路画像提供：Elektor Electronics

デザイン

静電容量センサー回路は、次の説明の助けを借りて理解することができます。

IC1は基本的に非安定として配線されていますが、実際のコンデンサは組み込まれていません。ここでは、容量性プレートが導入され、非安定動作に必要なコンデンサの位置を取ります。

容量性プレートが大きいほど、回路からの応答がより良く、信頼性が高くなることに注意する必要があります。

この回路は車体近接警報セキュリティシステムとして機能することを目的としているため、車体自体を静電容量式プレートとして使用でき、体積が大きいため、アプリケーションに非常に適しています。

静電容量式近接センサープレートが統合されると、IC555は非安定動作のスタンバイ位置になります。

人間の手である可能性のある近接した「グランド」要素を検出すると、必要な静電容量がICのピン2/6とグランドの間に発生します。

上記の結果、ICが非安定モードで発振を開始すると、周波数が瞬時に発生します。

非安定信号は、C3 ---- C5とともにR3、R4、R5の助けを借りて適切に「統合」されたICのピン3で取得されます。

「統合された」結果は、コンパレータとして装備されたオペアンプステージに送られます。

IC2の周囲に形成されたコンパレータは、IC1からのこの変化に応答し、それをトリガー電圧に変換して、T1と対応するリレーを動作させます。

リレーは、必要な警報のためにサイレンまたはホーンで配線することができます。

ただし、実際には、IC1は、プレートの近くでキャプティブグラウンドが検出された瞬間に正から負の電圧パルスのピークを生成することがわかります。

IC2は、必要なトリガーのピーク電圧のこの突然の上昇にのみ応答します。

容量性ボディがプレートのすぐ近くにあり続けると、ピン3のピーク周波数電圧がIC2で検出できないレベルまで消失し、非アクティブになります。つまり、容量性エレメントが接続された瞬間にのみリレーがアクティブのままになります。またはプレート表面近くで除去されます。

P1、P2は、容量性プレートから最大の感度を取得するように調整できます
ラッチング動作を得るために、IC2の出力をフリップフロップ回路にさらに統合して、静電容量式近接センサー回路を非常に正確で応答性の高いものにすることができます。

3）ICPCF8883を使用する

IC PCF8883は、指定された検出プレート周辺の静電容量のわずかな違いを検出するための独自の（EDISEN特許取得済み）デジタル技術により、高精度の静電容量型近接センサースイッチのように機能するように設計されています。

主な特徴

この特殊な静電容量式近接センサーの主な機能は、以下のように研究することができます。

次の画像は、ICPCF8883の内部構成を示しています。

ICは従来の方法に依存していません センシングの動的静電容量モード むしろ、連続自動校正による自動補正を採用することにより、静的静電容量の変動を検出します。

センサーは基本的に小さな導電性フォイルの形をしており、目的の静電容量センシング用にICの関連するピン配列と直接統合するか、同軸ケーブルを介して長距離で終端して、正確で効果的なリモート静電容量近接センシング操作を可能にします。

次の図は、ICPCF8883のピン配列の詳細を表しています。さまざまなピン配置と内蔵回路の詳細な機能は、次の点で理解できます。

ICPCF8883のピン配列の詳細

外部静電容量センシングフォイルに接続されることになっているピン配列INは、ICの内部RCネットワークにリンクされています。

RCネットワークの「tdch」によって与えられる放電時間は、「tdchimo」として示される2番目のインバルトRCネットワークの放電時間と比較されます。

2つのRCネットワークは、2つの同一の同期スイッチネットワークを介してVDD（INTREGD）によって定期的に充電され、その後、Vssまたはグランドへの抵抗の助けを借りて放電されます。

この電荷放電が実行される速度は、「fs」で示されるサンプリング速度によって調整されます。

電位差が内部で設定された基準電圧VMを下回っているのが見られる場合、コンパレータの対応する出力は低くなる傾向があります。コンパレータに続く論理レベルは、実際に他のコンパレータより先に切り替わる可能性のある正確なコンパレータを識別します。

また、上位コンパレータが最初に起動したと識別された場合、CUPでパルスがレンダリングされますが、下位コンパレータが上位コンパレータの前に切り替わったことが検出された場合、パルスはCDNで有効になります。

上記のパルスは、ピンCPCに関連付けられた外部コンデンサCcpcの電荷レベルの制御に関与します。 CUPでパルスが生成されると、CcpcはVDDUNTREGDを介して所定の時間充電され、Ccpcの電位が上昇します。

まったく同じ行で、CDNでパルスがレンダリングされると、Ccpcは電流シンクデバイスとグランドにリンクされ、コンデンサを放電してその電位を崩壊させます。

ピンINの静電容量が高くなると、それに応じて放電時間tdchが増加します。これにより、関連するコンパレータの両端の電圧が対応して長い時間で降下します。これが発生すると、コンパレータの出力が低くなる傾向があり、CDNでパルスが発生し、外部コンデンサCCPの放電がある程度小さくなります。

これは、CUPがパルスの大部分を生成するようになり、CCPがそれ以上の手順を実行せずにさらに充電されることを意味します。

それにもかかわらず、ピンINに関連するシンク電流レギュレーション「ism」に依存するICの自動電圧制御キャリブレーション機能は、内部で設定された放電時間tdcmefを参照することにより、放電時間tdchのバランスをとろうとします。

Ccpgの両端の電圧は電流制御されており、CCPの両端の電位が上昇していることが検出されると、INの静電容量の放電にかなり急速に関与します。これにより、入力ピンINの増加する容量のバランスが完全に取れます。

この効果は、tdchlmfを参照して放電時間tdchの自動均等化を継続的に監視し、実行する閉ループ追跡システムを生み出します。

これは、ICのINピン配列全体の容量の緩慢な変動を修正するのに役立ちます。急速に充電されている状態、たとえば人間の指がセンシングフォイルにすばやく近づくと、説明した補償が発生しない場合があります。平衡状態では、放電期間の長さは変わらず、パルスはCUPとCDNで交互に変動します。

これはさらに、Ccpg値が大きくなると、CUPまたはCDNで各パルスの電圧変動が比較的制限されることが予想されることを意味します。

したがって、内部電流シンクはより遅い補償を引き起こし、それによってセンサーの感度を高めます。逆に、CCPが低下すると、センサーの感度が低下します。

内蔵センサーモニター

内蔵のカウンターステージはセンサートリガーを監視し、それに応じてCUPまたはCDN全体のパルスをカウントします。カウンターは、CUPからCDNへのパルス方向が交互または変化するたびにリセットされます。

OUTとして表される出力ピンは、CUPまたはCDNの両端に適切な数のパルスが検出された場合にのみアクティブになります。センサーまたは入力容量全体での適度なレベルの干渉または遅い相互作用は、出力トリガーに影響を与えません。

チップは、不均等な充電/放電パターンなどのいくつかの条件を記録するため、確認された出力スイッチングがレンダリングされ、スプリアス検出が排除されます。

高度なスタートアップ

このICには、チップへの電源がオンになるとすぐにチップが平衡状態に達することを可能にする高度な起動回路が含まれています。

内部的には、ピンOUTはオープンドレインとして構成されており、接続された負荷に対して最大20mAの電流でハイロジック（Vdd）でピン配置を開始します。出力に30mAを超える負荷がかかると、瞬時にトリガーされる短絡保護機能により、電源が瞬時に切断されます。
このピン配置もCMOS互換であるため、すべてのCMOSベースの負荷または回路ステージに適しています。

前述のように、サンプリングレートパラメータ「fs」は、RCタイミングネットワークで使用される周波数の50％に関連しています。 CCLINの値を適切に固定することにより、サンプリングレートを所定のスパンにわたって設定できます。

疑似ランダム信号を介して内部で変調された4％の発振器周波数は、周囲のAC周波数からの干渉の可能性を抑制します。

出力状態セレクターモード

このICは、入力ピン配列の静電容量センシングに応答して出力ピンを単安定状態または双安定状態にするために使用できる便利な「出力状態選択モード」も備えています。次のようにレンダリングされます。

モード＃1 （VssでTYPEが有効）：入力が外部容量性の影響下にある限り、出力はspの間アクティブになります。

モード＃2 （VDD / NTRESDでTYPEが有効）：このモードでは、センサーフォイル間の容量性相互作用に応じて、出力が交互にオンとオフ（ハイとロー）に切り替わります。

モード＃3（TYPEとVSSの間でCTYPEが有効）：この状態では、出力ピンは、CTYPEの値に比例し、変化する可能性のある各静電容量センシング入力に応答して、所定の時間トリガー（ロー）されます。 nF容量あたり2.5msのレートで。

モード＃3で約10msの遅延を取得するためのCTYPEの標準値は4.7nFであり、CTYPEの最大許容値は470nFであるため、約1秒の遅延が発生する可能性があります。この期間中の突然の容量性介入または影響は、単に無視されます。

回路の使い方

次のセクションでは、精密リモートを必要とするすべての製品に適用できる同じICを使用した一般的な回路構成について学習します。 近接刺激操作 。

提案された静電容量式近接センサーは、次のデータに示されているように、多くの異なるアプリケーションで多様に使用できます。

ICを使用した一般的なアプリケーション構成を以下に示します。

アプリケーション回路構成

+入力電源はVDDに接続されています。チップのより信頼性の高い動作のために、平滑コンデンサを、VDDとグランドの間に、またVDDUNTREGDとグランドの間に接続することが好ましい場合があります。

ピンCLINで生成されたCOLINの静電容量値は、サンプリングレートを効果的に固定します。サンプリングレートを上げると、消費電流が比例して増加し、センシング入力の反応時間が長くなる可能性があります。

近接センサープレート

感知容量性感知プレートは、非導電性層でシールドおよび絶縁された小型金属箔またはプレートの形態であり得る。

この検出領域は、アプリケーションのニーズに応じて、他端がICのINにリンクされている同軸ケーブルCCABLEを介して長距離で終端するか、プレートをICのINピン配列に直接接続することができます。

ICには、ICのINピンを介してICに侵入しようとする可能性のあるあらゆる形態のRF干渉を抑制するのに役立つ内部ローパスフィルタ回路が装備されています。

さらに、図に示されているように、RFおよびCFを使用して外部構成を追加して、RF抑制をさらに強化し、回路のRF耐性を強化することもできます。

回路から最適な性能を達成するために、CSENSE + CCABLE + Cpの静電容量値の合計が所定の適切な範囲内にあることをお勧めします。適切なレベルは、約30pFです。

これは、制御ループがCSENSE上の静的静電容量とより適切に機能し、検出容量性プレートでのかなり遅い相互作用を均等化するのに役立ちます。

容量性入力の増加を実現

容量性入力のレベルを上げるために、図に示すように、内部タイミング要件の仕様に従って放電時間を制御するのに役立つ補助抵抗Rcを含めることをお勧めします。

取り付けられた検出プレートまたは検出フォイルの断面積は、回路の感度に正比例し、コンデンサCcpcの値と連動して、Ccpc値を小さくすると検出プレートの感度に大きな影響を与える可能性があります。したがって、効果的な感度を達成するために、Ccpcを最適かつそれに応じて増やすことができます。

CPCとマークされたピン配列は、内部で高インピーダンスに起因するため、リーク電流の影響を受けやすい可能性があります。

設計から最適な性能を得るために、CcpcがMKTタイプのコンデンサまたはX7Rタイプの高品質PPCで選択されていることを確認してください。

低温での動作

システムが最大35pFの制限された入力容量で、-20℃の凍結温度で動作することを意図している場合は、ICへの供給電圧を約2.8Vに下げることをお勧めします。これにより、仕様が0.6V〜VDD-0.3VのVlicpc電圧の動作範囲が低下します。

さらに、Vucpcの動作範囲を下げると、それに比例して回路の入力容量範囲が狭くなる可能性があります。

また、図に示されているように、Vucpc値が温度の低下とともに増加することに気付く場合があります。これは、供給電圧を適切に下げることが温度の低下に役立つ理由を示しています。

推奨コンポーネント仕様

表6および表7は、上記の手順を参照して、目的のアプリケーション仕様に従って適切に選択できるコンポーネント値の推奨範囲を示しています。

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