Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

Данный высокочувствительный, бесконтактный датчик наличия человека является результатом несложно эксперимента и может быть пригоден для множества полезных применений. Микросхема 74HC02 NOR работает как высокоимпедансный емкостной датчик. Она устанавливает / сбрасывает триггерную схему, и управляет светодиодом и реле для устройства управления мощностью. Простое размещение пальца вблизи площадки, будет достаточно для переключения триггера – прямое касание человеком не требуется, поэтому площадка может быть изолирована. Диапазон действия устройства с настраиваемым уровнем чувствительности составляет 15 мм. Устройство питается от 12В источника постоянного тока.

Данная схема является усовершенствованным вариантом предыдущего решения, для которого требуется две контактные площадки: Non-Contact Human Interface Capacitive Switch

Принцип работы

Емкость входа логического элемента обычно составляет 3 пФ. Для того чтобы сделать данный вход более чувствительным по отношению к емкости человеческого тела рекомендуется установить резистор смещения величиной 100 МОм. Также данную величину сопротивления можно получить из цепочки последовательно соединенных резисторов номиналом от 10 до 22 МОм. Второй вывод резистора подключается к потенциометру смещения, поэтому статическое входное напряжение может быть установлено очень близко к цифровому порогу срабатывания (около Vcc /2). Чувствительность также увеличивается путем снижения напряжения Vcc до уровня 3 В (минимальное рабочее напряжение составляет 2.0 В). Радиус действия устройства величиной 15 мм достигается путем использования резистора сопротивлением 62 МОм. Контактная площадка представляет собой 1 центовую монету, припаянную к резистору величиной 1 МОм. Радиус действия устройства увеличивается до 25 мм при использовании руки вместо пальца.

После установки или сброса триггерной схемы, конденсатор C2 заряжается или разряжается через резистор R7. Когда он достигает порога (Vcc /2), логические элементы U2A & B переключают входной сигнал на противоположный вход триггера.

N-канальный MOSFET 2N7000 (Q1) управляет ультраярким белым светодиодом с током 20 мА и реле напряжением 12 В.

Входной резистор величиной 1 МОм защищает интегральную схему от статического разряда и позволяет прикасаться к контактной площадке без опасности электростатического пробоя.

Трудности при разработке схемы

Наибольшей проблемой при проектировании схемы было поместить логический элемент U2C внутри цепочки U1. Элемент U2C бесконтрольно генерировал импульсы при пересечении порога срабатывания, что создавало электрические помехи, нарушающие работу всего устройства. Еще одной трудностью было, что один из входов логического элемента был поврежден (возможно, электростатическим разрядом), поэтому он имел избыточную утечку, которая предотвращала работу с уровнем высокого импеданса. Другим важным вопросом был тот факт, что когда напряжение логического элемента смещалось близко к напряжению переключения элемента, ИС начинала работать в линейном режиме и пропускать существенный ток источника питания – данный ток предотвращает высокий импеданс при регулировке источника питания, с которым я столкнулся в двухконтактной версии этой схемы. Поэтому я установил регулятор LM317LZ для создания источника питания с низким импедансом величиной 3 В. Далее я увеличил входное напряжение до 12 В и добавил в схему реле с напряжением срабатывания 12 В.

Установка контактных площадок

Контактные площадки также могут быть изолированы или размещаться на задней стороне тонкой пластины, например на кусочке окрашенного полотна и т.д.

Ограничения

Чем ближе потенциометр регулировки чувствительности установлен к пороговому значению, тем большая вероятность, что электростатическая или электромагнитная помеха приведет к переключению состояния. Поэтому не устанавливайте на максимальную производительность. Также не используйте данное схемное решения для критически важных приложений.

Будущие корректировки

В схему необходимо установить дополнительный логический элемент для предотвращения ненамеренного срабатывания триггера в случае, если палец не сразу убирается после установки / сброса триггерной цепи.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• Touch сенсор