01.04.21

[Домашняя]

В основе работы емкостных датчиков обычно лежит принцип регистрации изменения параметров генерации под воздействием изменения контролируемой емкости. Простейшие из таких датчиков содержат в своем составе один LC генератор на полевом транзисторе и работают по принципу возрастания тока или срыва генерации при увеличении контролируемой емкости. Такие емкостные реле при максимальной чувствительности до 0,1 метра обладают весьма низкой стабильностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики обеспечивают емкостные датчики, выполненные на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы опорного генератора и перестраиваемого (измерительного). Лучшие из них способны обнаружить приближение человека на расстоянии до 2-х метров. Однако выполненные на дискретных элементах они получаются достаточно громоздкими, а при использовании специализированных микросхем и весьма дорогими. Предлагается относительно чувствительный датчик, выполненный на широко распространенной микросхеме LM567. Эта ИМС имеет систему внутренней автоподстройки частоты генератора, что повышает стабильность и помехоустойчивость системы, а использование всего одного генератора упрощает схемотехническое решение, к тому же в схеме отсутствуют намоточные элементы (индуктивности), что дополнительно способствует его хорошей повторяемости. Чувствительность датчика на приближение человека при метровой длине антенны - не менее полуметра. Как уже отмечалось, датчик построен на основе микросхемы фазового демодулятора LM567. Эта микросхема широко используется в телефонных аппаратах с тоновым набором для выделения сигналов частотных посылок, а также в схемах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Раньше она так же применялась в системах автоподстройки частоты вращения блока видеоголовок бытовых видеомагнитофонов. Данная микросхема содержит в своем составе генератор, управляемый током, с фазовой автоподстройкой и внешними частотозадающими элементами, а также два фазовых компаратора работающие с фазовым сдвигом 90° друг относительно друга и образующие квадратичный фазовый контур.

Работа устройства

Принципиальная схема емкостного датчика изображена на рис.1.

Частотозадающими элементами генератора являются резистор R4 и конденсатор СЗ. Формируемый генератором сигнал частотой около 15 кГц с вывода 5 ИМС DA1 через подстроечный резистор R1 определяющий глубину связи с фазосдвигающей цепью образованной антенной А1, конденсатором С1 и резистором R2 поступает на затвор поле­вого транзистора VT3, выполняющего роль повторителя. Снимаемый с истока этого транзистора сигнал идет на базу транзистора VT2, и далее через конденсатор С2, поступает на вход 3 микросхемы DA1 фазового демодулятора. К выводу 2 этой микросхемы подключен конденсатор С4 фильтра первого фазового компаратора, его емкость определяет ширину захвата системы ФАПЧ. Увеличение емкости этого конденсатора сужает полосу захвата. В моменты перехода входного сигнала через ноль за счет связи обеспечиваемой первым компаратором со схемой управления осуществляется ФАПЧ генератора. Опережение или запаздывание закрытия этого компаратора под воздействи­ем входного сигнала формирует положительное или отрицательное напряжение смещения (ошибки) для системы корректировки фазы импульсов. Таким образом, обеспечивается захват сигнала с автоматической подстройкой частоты генератора. Второй фазовый компаратор, работающий со сдвигом в 90° по отношению к первому, находится в активном состоянии в течение каждого положительного импульса формируемого генератором. Когда приемный тракт заблокирован, второй компаратор закрыт при этом конденсатор С6 заряжается до напряжения близкого к напряжению питания. В результате на выводе 8 ИМС DA1 появится напряжение с тем же значением. В противном случае (минимум 50 мВ пикового значения на выводе 3) каждый импульс вызывает постепенный разряд конденсатора С6, а напряжение на выходе становится близким к нулю. Резистор R5 необходим для создания гистерезиса между включением и выключением компаратора. Цепь на элементах R7 и С5 - нагрузка открытого коллекторного выхода 8 микросхемы DA1 и сглаживает мелкие пульсации. Далее для повышения помехоустойчивости сигнал через диод VD2 поступает на элементы R9, С9 и логический вход 1 микросхемы DD1. Цепь на элементах С7, VD1, R6 служит для блокировки прохождения на выход датчика ложного импульса срабатывания в момент включения питания. С выхода 3 элемента DD1.1 проинвертированный сигнал поступает через диод VD4 на цепочку C11R12, обеспечивающую некоторую временную задержку при выключение сигнала о приближении, и на инвертор DD1.3. С этого инвертора сигнал поступает на выход и на ещё один инвертирующий элемент DD1.2, на выходе которого формируется сигнал лог. «1» при приближении к датчику. Светодиод HL1 служит для индикации срабатывания датчика. Питается устройство от регулируемого стабилизатора напряжения на микросхеме DA2 с выходным напряжением 5 В, которое задается делителем на резисторах R8, R10. Входное напряжение может находиться в пределах 10...24 В. Диод VD3 служит для защиты схемы при неправильном подключении полярности источника питания.

Детали

Вместо микросхемы К561ЛЕ5 можно использовать ее импортный аналог CD4001. Микросхема LM567 заменима на KIA567, NE567. Полевой транзистор VT1 заменим BF245, VT2 - на ВС547. В качестве антенны А1 может использоваться отрезок одножильного изолированного провода сечением до 0,5 мм2 и длинной 0,3-1,5 метра. Короткая антенна обес­печивает лучшую избирательность при несколько меньшей чувствительности. Необходимо иметь ввиду, что значение необходимого номинала конденсатора С1 зависит от емкости подключенной антенны, а значит, и от её длинны. При указанной емкости С1, длинна антенны должна быть около метра. В случае использования антенны длиной 0,3 м емкость этого конденсатора следует уменьшить до 30 pF. Настраивать датчик необходимо, предварительно установив плату и антенну в том месте, где предполагается экс­плуатация датчика. При этом следует учитывать, что на порог срабатывания схемы влияет взаимное расположение земляного провода и антенны, чем ближе к антенне он распо­ложен, тем раньше произойдет срабатывание.

Настройка

Для настройки схемы движок подстроенного резистора R1 устанавливают в крайнее левое положение и включают питание. Светодиод НИ при этом должен оставаться пога­шенным. В работоспособности схемы можно убедиться по зажиганию этого светодиода при касании антенны рукой. Если емкость конденсатора С1 выбрана правильно то при переводе движка подстроенного резистора R1 в крайнее правое положение светодиод должен зажечься без касания к антенне. В этом случае настройку продолжают, добиваясь требуемого порога срабатывания датчика плавным вращением ротора подстроечного резистора, желательно с помощью диэлектрической отвертки, оказывающей минимальное влияние на фазосдвигающие цепи. Следует заметить, что если емкость конденсатора С1 выбрана слишком большой, светодиод HL1 может светиться и в крайнем левом положении движка, в этом случае при касании антенны рукой может напротив произойти отключение светодиода. Такая инверсная работа возможна и при приближении к антенне это объясняется тем, что данная схема работает по принципу балансировки и ее можно настроить как на нормально выключенное состояние, так и на нормально включенное. При оптимальной настройке включение датчика должно происходить при приближении к антенне длинной 1 метр на расстояние 0,5 метра, а отключение - около 0,6 метра. При укорочении антенны до 0,3 метров эти расстояния уменьшатся примерно на треть.

Электрик  №10 2012г стр. 54