Ёмкостный датчик приближения

Работа ёмкостных датчиков обычно основана на регистрации измене­ний параметров генератора, в колеба­тельную систему которого входит ём­кость контролируемого объекта. Прос­тейшие из таких датчиков  содер­жат один LС-генератор на полевом транзисторе и работают по принципу возрастания потребляемого тока или уменьшения напряжения при увеличе­нии ёмкости. Такие устройства при мак­симальной дальности обнаружения приближающегося объекта не более 0,1 м обладают весьма низкой стабиль­ностью и малой помехоустойчивостью. Более высокие характеристики имеют ёмкостные датчики, выполненные на основе двух генераторов и работающие по принципу сравнения частоты или фазы колебаний образцового и пере­страиваемого (измерительного) генера­торов. Луч­шие из них способны почувствовать при­ближение человека на расстоянии 2 м. Однако при выполнении на дискретных элементах они получаются слишком гро­моздкими, а при использовании специа­лизированных микросхем — слишком дорогими.

В предлагаемой статье рассматри­вается чувствительный ёмкостный дат­чик на микросхеме тонального декоде­ра NJM567. Эта микросхема и её аналоги (например, NЕ567) широко ис­пользуются для обнаружения узкополосных сигналов в диапазоне от 10 Гц до 500 кГц. Они применялись и в систе­мах автоподстройки частоты вращения блока видеоголовок бытовых видеомаг­нитофонов. Использование встроенно­го в тональный декодер RС-генератора упрощает схему, а внутренняя петля ФАПЧ этого генератора обеспечивает стабильность и помехоустойчивость датчика. Дальность обнаружения приближаю­щегося человека — не менее 0,5 м (при длине антенны датчика 1м), что значи­тельно больше, чем, например, у при­бора, выполненного по схеме. В уст­ройстве отсутствуют намоточные изде­лия (катушки индуктивности), что упро­щает его повторение.

Схема ёмкостного датчика изобра­жена на рис. 1. Частотозадающие эле­менты находящегося в микросхеме DА2 генератора — резистор R6 и кон­денсатор С5. Сигнал генератора частотой около 15 кГц с вывода 5 микросхемы DА2 подан на фазо­сдвигающую цепь, образован­ную подстроечным резистором R5, антенной  WА1, конденсато­ром СЗ и резистором RЗ. С неё через истоковый повторитель на полевом транзисторе VТ1, уси­литель на транзисторе  VТ2 и кон­денсатор С4 сигнал поступает на вход  IN (вывод 3) микросхемы DА2. К выводу 2 этой микросхе­мы подключён конденсатор С8 фильтра фазового детектора системы ФАПЧ, от ёмкости кото­рого зависит ширина её полосы захвата. Чем ёмкость больше, тем уже полоса.На второй фазовый детектор микросхемы образцовое напря­жение подаётся от генератора с фазовым сдвигом на 90° относительно поступающего на фазовый детектор ФАПЧ. Напряжение на выводе 1 микро­схемы (выходе второго детектора), подаваемое на встроенный в неё ком­паратор напряжения, зависит от фазо­вого сдвига между входным сигналом и сигналом генератора, вносимого рас­смотренной выше цепью, которая вклю­чает в себя антенну WA1. С7 — конден­сатор выходного фильтра фазового детектора. Резистор R8, включённый между выводами 1 и 8 микросхемы, создаёт в характеристике переключе­ния компаратора гистерезис, необхо­димый для повышения помехоус­тойчивости. Цепь R7C6 — нагрузка выхода OUT, выполненного по схеме с открытым коллектором. Далее сигнал через диод VD2 посту­пает на цепь из резистора R9 и конден­сатора С9 и на вход логического эле­мента DD1.1. Цепь R10C10 формирует импульс, блокирующий ложное сраба­тывание датчика в момент включения питания. С выхода элемента DD1.1 сигнал поступает через диод VD4 на цепь R11С11, обеспечивающую длитель­ность выходного сигнала датчика не менее заданной, и на соединённые по­следовательно элементы DD1.2 и DD1.3, формирующие взаимно инверс­ные выходные сигналы датчика на линиях "Вых. 1" и "Вых. 2". Высокий уро­вень сигнала на линии "Вых. 2" и вклю­чённый светодиод HL1 свидетель­ствуют, что в чувствительной зоне нахо­дится человек.Узел питания датчика собран на интегральном стабилизаторе LМ317LZ, выходное напряжение которого уста­новлено равным 5 В с помощью рези­сторов R1 и R2. Входное напряжение может находиться в пределах 10...24 В. Диод  VD1 защищает датчик от непра­вильной полярности источника этого напряжения.

Все детали датчика смонтированы на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, чертёж которой изображён на рис. 2. Резисторы R1 и R2 — для поверхност­ного монтажа. Их монтируют на плату со стороны печатных проводников. Подстроечный резистор R5 — СПЗ19а или его импортный аналог.Микросхему NJM567D можно заме­нить на NE567, KIA567, LM567 с раз­личными буквенными индексами, оз­начающими тип корпуса. Если он типа D1P8 (как у NJM567D) или круглый ме­таллический, печатную плату коррек­тировать не придётся. Аналог микро­схемы К561ЛЕ5 — CD4001A. Транзис­тор КП303Е заменяется на BF245, КТ3102Е — на ВС547.Антенна WA1 — отрезок одножильно­го изолированного провода сечением 0,5 мм2 и длиной 0,3...1,5 м. Короткая антенна обеспечивает меньшую чувст­вительность. Следует иметь в виду, что необходимая ёмкость конденсатора СЗ зависит от собственной ёмкости антенны, а значит, от её длины. Указанная на схеме ёмкость оптимальна для антенны длиной около метра. Чтобы работать с антенной длиной 0,3 м, ёмкость необ­ходимо уменьшить до 30 пФ.

Налаживать датчик следует, устано­вив его и антенну там, где предполага­ется их эксплуатация. При этом следует учитывать, что на порог срабатывания влияет и расположение антенны отно­сительно заземлённых предметов и проводов. Первоначально движок подстроечного резистора R5 устанавливают в поло­жение максимального сопротивления. После включения питания светодиод НL1 должен оставаться погашенным. В работоспособности датчика можно убе­диться по включению этого светодиода в случае прикосновения к антенне рукой. Если ёмкость конденсатора СЗ выбрана правильно, то при пе­реводе движка подстроенного резистора R5 в положение ми­нимального сопротивления све­тодиод должен включиться и без касания антенны.

Убедившись в работоспособ­ности датчика, его налаживание продолжают по общеизвестной методике, добиваясь требуемо­го порога срабатывания плав­ным перемещением движка подстроечного резистора. Же­лательно делать это с помощью диэлектрической отвёртки, ока­зывающей минимальное влия­ние на фазосдвигающие цепи.Оптимальная настройка соот­ветствует включению светодио­да при приближении человека к антенне метровой длины на рас­стояние 0,5 м, а выключение — при его удалении до 0,6 м.Укорочение антенны до 0,3 м уменьшит эти значения примерно на треть. Следует заметить, что если ёмкость конденсатора СЗ слишком велика, све­тодиод HL1 может светиться и в край­нем левом положении движка, а при ка­сании антенны рукой — гаснуть. Это объясняется тем, что устройство рабо­тает по балансному принципу и при не­обходимости можно отрегулировать его на срабатывание при удалении охраняе­мого объекта из чувствительной зоны. В моем исполнении, при длине антены 1,5м, чвствительность получилась 1,25м,больше не вытянул. Всем удачи.

Автор не известен.