Пропонований варіант ємнісного датчика наближення економічний, працює в широкому інтервалі значень живлячої напруги і володіє високою стабільністю порогу спрацьовування при зміні температури.
Вкнигах і журналах для радіоаматорів за останні 20 років опубліковано чимало описів конструкцій датчиків наближення, що різняться принципом дії, чутливістю, складністю і використовуваної елементної базою. Однак багато з них придатні для роботи лише в умовах, близьких до лабораторних, при практично незмінних температурі навколишнього середовища і напрузі живлення.
Наприклад, датчик, описаний в [1], виконаний на цифровий мікросхемі і має високою економічністю, проте поріг його спрацьовування істотно залежить від напруги живлення. Стійкість його роботи при підвищеній вологості за високого опору резистора R2 явно недостатня і сильно залежить від довжини проводів, що з'єднують електронний вузол з чутливим елементом.
Датчики, запропоновані в [2], споживають струм до декількох міліампер, що обмежує можливість їх застосування в системах з автономним живленням. З-за залежно порогу характеристик ОУ від температури і напруги живлення можлива ситуація, коли такий датчик або буде постійно перебувати в спрацювання стані, або перестане спрацьовувати зовсім.
Пропонований датчик трохи складніше згаданих вище, але відрізняється від них відсутністю намотувальних елементів, хорошою повторюваністю, що працює при напрузі живлення 3...15 В, споживаючи приблизно 40 мкА (при напрузі 5 В). Для нього характерні незалежність порога спрацьовування від температури навколишнього середовища і напруги живлення, мала чутливість до електромагнітних перешкод і наведенням. Можливий точний розрахунок порога спрацьовування, виходячи з номіналів використовуваних елементів, або розрахунок цих номіналів для отримання необхідного порогу спрацьовування.
Схема датчика показана на рис. 1. На тригер DD1.1 виконаний генератор імпульсів. Їх тривалість (приблизно 0,2 мс) задана ланцюгом R1C1, а період повторення (приблизно 1,5 мс) - ланцюгом R2C2. Детектор зниження напруги DA1 деякий час після включення живлення приладу утримує напругу на вході S тригера DD1.1 на низькому логічному рівні, виключаючи таким чином заборонене стан високого рівня на обох настановних входах R і S) тригера. Інакше у випадку наростання напруги живлення зі швидкістю менше 2...3 В/мс самозбудження генератора не відбудеться.
Імпульси генератора одночасно запускають два одновібратора. Перший (на тригер DD2.1) формує імпульси зразковою тривалості, яка залежить від номіналів елементів R4, R5, С4. Тривалість імпульсів другого одновібратора (на тригер DD2.2) залежить від опору резистора R3 і ємності конденсатора, утвореного металевими пластинами Е1 і Е2. Розділовий конденсатор С5 запобігає випадкове влучення на вхід тригера DD2.2 постійного напруження.
Робота датчика заснована на порівнянні тривалості імпульсу, що формуються двома одновибраторами. Якщо імпульс другого (вимірювального) одновібратора коротше імпульсу першого (зразкового), момент позитивного перепаду напруги на інверсному виході тригера DD2.1 (в точці 1, див. рис. 1) рівень напруги на виході тригера DD2.2 (в точці 2) буде низьким. Тригер порівняння DD1.2, спрацьовує по позитивному перепаду на вході С, перейде в стан низького логічного рівня на виході. В іншому випадку (вимірювальний імпульс довший зразкового) рівень у точці 2 і на виході тригера DD1.2 буде високим.
Коли з наближенням стороннього предмета до пластин Е1 і Е2 ємність між ними збільшується, низький рівень на виводі 2 роз'єму Х1 змінюється високим. Граничне значення ємності, при перевищенні якого зто відбувається, визначають за формулою
де R4BB - введене опір підлаштування резистора R4; Стз ≈ 6 пф - ємність входу R тригера. При вказаному на схемі номіналі резистора R5 з допомогою R4 можна змінювати поріг спрацьовування по ємності від 6 до 32 пФ.
Так як активні елементи мультивибраторов знаходяться всередині однієї мікросхеми DD2, при зміні температури або напруги живлення та їх характеристики тривалості формованих імпульсів змінюються однаково. Це забезпечує стабільність порога спрацьовування датчика в широкому інтервалі зміни температури і напруги живлення.
В датчику можна використовувати постійні резистори С2-З3н, МЛТ, С2-23 або аналогічні потужністю 0,125 або 0,25 Вт з допуском не гірше ±5 %. Як R4 бажано використовувати підлаштування резистор з малим ТКС (наприклад, СПЗ-19а, СПЗ-196). Широко поширені резистори СПЗ-38а з цієї причини застосовувати не рекомендується. Конденсатори С1 - С4 - будь-які малогабаритні керамічні (КМ-5, КМ-6, К10-17 або аналогічні імпортні). Розділовий конденсатор С5 повинен бути високовольтним (наприклад, К15-5), розрахованих на напругу не менше 500 Ст. Його ємність може лежати в межах 1000...4700 пФ. Діод VD1 - будь-який з серій КД103, КД503, КД521, КД522.
Мікросхеми К561ТМ2 можна замінити на 564ТМ2 або їх імпортні аналоги. Детектор пониження напруги (DA1) слід вибирати з граничним напругою, завідомо меншим мінімального напруги живлення датчика. Наприклад, при живленні напругою 5 В підійдуть детектори КР1171СП42, КР1171СП47, при 9 - також КР1171СП53, КР1171СП64, КР1171СП73.
Електронний блок датчика зібраний на платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 1,5 мм. Креслення друкованих провідників і розташування деталей показано на рис. 2. Чутливий елемент (пластини Е1 і Е2) рекомендується оформити у вигляді "розгорнутого" конденсатора [2], з'єднавши його з електронним блоком проводами довжиною не більше 50 мм.
Налагодження датчика зводиться до встановлення порогу резисторами R4 і R5. Спрацьовування можна контролювати за допомогою ланцюга з світлодіода (анодом до контакту 2 рознімання Х1) і резистора номіналом 2,2...4,7 кОм (між катодом світлодіода і контактом 3 рознімання). Включивши харчування, обертанням движка підлаштування резистора R4 добийтеся запалювання світлодіода, а потім поворотом движка трохи вправо (за схемою) - його згасання. Про правильному регулюванні буде свідчити включення світлодіода при наближенні до чутливого елементу будь-якого предмету. Якщо світлодіод не горить навіть у крайньому лівому положенні движка резистора R4, слід встановити замість R5 перемичку і повторити налаштування.
Пристрій можна використовувати як датчик дотику людини до пластині Е2, причому її роль може виконувати будь-який металевий предмет, наприклад, дверна ручка. У цьому випадку від пластини Е1 можна взагалі відмовитися, а резистори R4 і R5 замінити одним резистором номіналом 330 кОм.
Один з варіантів датчика, виготовлений автором, мав чутливий елемент вигляді плоского конденсатора з площею обкладок 100 см2 та відстанню між ними 5 мм. Він впевнено спрацьовував при заповненні простору між обкладками машинним маслом на 70 % в інтервалі температури -30. ..+85 °С. Спрацьовування, викликані конденсацією води, наближенням рук та іншими заважають факторами, не зафіксовані.
При подібному використанні і застосуванні в якості чутливого елемента плоского або циліндричного конденсатора рекомендується попередньо оцінити необхідне значення введеного опору підлаштування резистора R4 за формулою
де Спр - ємність з'єднувальних проводів; Ск - ємність чутливого елемента, оцінка за відомими формулами ємності плоского або циліндричного конденсатора.
Якщо обчислене значення вийшло негативним, слід виключити зі схеми резистор R5, а якщо більше 200 кОм, - збільшити номінал R5 таким чином, щоб опір R4BB лежало в межах 100... 150 кОм. Остаточно датчик регулюють описаним вище чином.
Література
Автор: М. Єршов, Тула р.