静電容量センサー。スキーム、説明

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静電容量センサー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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提案されたバージョンの容量性近接センサーは経済的で、幅広い供給電圧値で動作し、温度が変化したときの応答しきい値の高い安定性を備えています。

過去 20 年間にわたり、動作原理、感度、複雑さ、使用される素子ベースの点で異なる、近接センサーの設計に関する多くの説明がアマチュア無線家向けの書籍や雑誌に掲載されてきました。ただし、それらの多くは、実質的に一定の周囲温度と電源電圧という、実験室に近い条件下でのみ動作するのに適しています。

たとえば、[1] で説明されているセンサーはデジタル超小型回路で作られており、非常に経済的ですが、その応答しきい値は電源電圧に大きく依存します。抵抗器 R2 の抵抗値が高いため、高湿度での動作の安定性は明らかに不十分であり、電子アセンブリを感知素子に接続するワイヤの長さに大きく依存します。

[2] で提案されているセンサーは最大数ミリアンペアの電流を消費するため、自己電源システムでの使用の可能性が制限されます。オペアンプのしきい値特性は温度と電源電圧に依存するため、このようなセンサーは常にトリガー状態になるか、完全に動作を停止する可能性があります。

提案されたセンサーは上記のものよりわずかに複雑ですが、巻線要素がないこと、良好な再現性、3 ～ 15 V の電源電圧で動作し、約 40 μA (5 の電圧で) を消費する点で異なります。 Ⅴ）。応答しきい値が周囲温度や電源電圧から独立していること、電磁干渉や干渉に対する感度が低いことを特徴としています。使用される要素の定格に基づいて応答しきい値を正確に計算したり、これらの定格を計算して必要な応答しきい値を取得したりすることが可能です。

センサー回路を図に示します。 1. トリガー DD1.1 で、パルス発生器が作成されます。その持続時間（約0,2ms）はR1C1回路によって設定され、繰り返し周期（約1,5ms）はR2C2回路によって設定されます。低電圧検出器 DA1 は、デバイスの電源をオンにしてからしばらくの間、トリガ DD1.1 の入力 S の電圧をロー論理レベルに維持し、両方の設定入力 (R および S) での禁止されたハイレベル状態を除外します。トリガーの。そうしないと、供給電圧が 2 ... 3 V / ms 未満の速度で増加した場合、発電機は自励しません。

静電容量センサー

ジェネレーターのパルスは、2.1 つの単一バイブレーターを同時にトリガーします。最初のパルス (DD4 トリガー) は、要素 R5、R4、C2.2 の定格に応じて、例示的な持続時間のパルスを生成します。 3 番目の単一バイブレータ (トリガー DD1 による) のパルス持続時間は、抵抗器 R2 の抵抗と、金属プレート E5 と E2.2 によって形成されるコンデンサの静電容量によって決まります。絶縁コンデンサ CXNUMX は、トリガ入力 DDXNUMX DC 電圧との偶発的な接触を防ぎます。

センサーの動作は、2.1 つの単一バイブレーターによって生成されるパルス持続時間の比較に基づいています。 1 番目の (測定用) 単一バイブレータのパルスが最初の (例) のパルスより短い場合、DD1 トリガの反転出力での正の電圧降下の瞬間 (ポイント 2.2、図 2 を参照) )、DD1.2 トリガーの出力 (ポイント 2) の電圧レベルは低くなります。比較トリガ DD1.2 は、入力 C での正の差動によってトリガされ、出力でロジック Low 状態になります。それ以外の場合（測定パルスが基準パルスより長い場合）、ポイント XNUMX およびトリガ DDXNUMX の出力のレベルは High になります。

異物の接近によりプレート E1 と E2 の間の静電容量が増加すると、コネクタ X2 のピン 1 の低レベルが高レベルに置き換えられます。この問題が発生する静電容量のしきい値は、次の式で決定されます。

ここで、R4BB は同調抵抗器 R4 の入力抵抗です。 Svh ≈ 6 pF - トリガーの入力容量 R。図に示されている抵抗 R5 の値で、R4 を使用すると、静電容量のしきい値を 6 ～ 32 pF に変更できます。

マルチバイブレータのアクティブ素子は同じ DD2 マイクロ回路内に配置されているため、温度または電源電圧が変化すると、それらの特性と生成されるパルスの持続時間も同様に変化します。これにより、広範囲の温度と電源電圧の変化にわたってセンサー応答しきい値の安定性が保証されます。

センサーでは、電力 2 または 3 W の固定抵抗器 S2-Z23n、MLT、S0,125-0,25 などを少なくとも ± 5% の許容差で使用できます。 R4 には TKS の小さいトリミング抵抗（SPZ-19a、SPZ-196 など）を使用することが望ましいです。このため、SDR-38a 抵抗器を広く使用することはお勧めできません。コンデンサ C1 ～ C4 - 小型セラミック (KM-5、KM-6、K10-17 または同様の輸入品)。分離コンデンサ C5 は高電圧 (K15-5 など) で、定格電圧が少なくとも 500 V である必要があります。その静電容量は 1000 ～ 4700 pF の範囲にすることができます。ダイオード VD1 - KD103、KD503、KD521、KD522 シリーズのいずれか。

チップ K561TM2 は、564TM2 または輸入された同等品と置き換えることができます。不足電圧検出器 (DA1) は、最小センサー電源電圧よりも明らかに低いしきい値電圧をもつものを選択する必要があります。たとえば、5 V の電圧で動作する場合、1171 V の検出器 KR42SP1171、KR47SP9、または KR1171SP53、KR1171SP64、KR1171SP73 が適しています。

センサーの電子ユニットは、厚さ 1,5 mm のフォイルグラスファイバー製のボード上に組み立てられています。印刷された導体と部品の位置の図を図に示します。 2. 感知素子 (プレート E1 および E2) は、「アンラップ」コンデンサ [2] の形で設計し、50 mm 以内のワイヤで電子ユニットに接続することをお勧めします。

静電容量センサー

センサーのセットアップは、結局のところ、抵抗 R4 と R5 を使用してしきい値を設定することになります。動作は、LED (アノードからコネクタ X2 のピン 1) と公称値 2,2 ～ 4,7 kOhm の抵抗器 (LED カソードとコネクタのピン 3 の間) の回路を使用して制御できます。電源を入れると、チューニング抵抗R4のエンジンを回転させてLEDが点火し、その後エンジンを少し右に回すと（図に従って）消灯します。適切な調整は、物体が感知素子に近づくと LED が点灯することによって示されます。抵抗 R4 スライダーの左端の位置でも LED が点灯しない場合は、R5 の代わりにジャンパーを取り付けて設定を繰り返す必要があります。

このデバイスはプレート E2 上の人間のタッチセンサーとして使用でき、ドアノブなどの任意の金属物体がその役割を果たすことができます。この場合、E1 プレートを完全に放棄することができ、抵抗器 R4 と R5 を公称値 330 kOhm の XNUMX つの抵抗器に置き換えることができます。

著者が作成したセンサーのバリエーションの100つは、プレート面積が2 cm5、それらの間の距離が70 mmのフラットコンデンサーの形の感応要素を備えていました。プレート間の隙間に機械油を30%充填した状態では、-85℃の温度範囲でも確実に作動しました。 ..+XNUMX°С。結露、手の接近、その他の妨害要因による動作は記録されていません。

平型または円筒型コンデンサの敏感な要素としての使用および用途では、最初に次の式に従って調整抵抗器 R4 の入力抵抗の必要な値を推定することをお勧めします。

ここで、Cnp は接続ワイヤの静電容量です。 Ck は感知要素の静電容量で、平面または円筒形のコンデンサの静電容量に関する既知の公式に従って計算されます。

計算値が負であることが判明した場合は、抵抗R5を回路から除外する必要があります。200 kOhmを超える場合は、抵抗R5BBが4 ... 100 kOhm以内になるようにR150の値を増やす必要があります。最後に、センサーは上記の方法で調整されます。

文学

Nechaev I.容量性リレー。 - ラジオ、1988 年、No. 1、p. 33.
Moskvin A. 非接触静電容量センサー。 - ラジオ、2002 年、No. 10、p。 38、39。

著者: M. Ershov、トゥーラ

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