Радио и телевидение (2012)

Емкостной сенсорный датчик своими руками

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

Вместо предлагаемого в этой статье самодельного емкостного сенсорного датчика в настоящее время целесообразно установить выключатель, сделанный на основе заводского модуля сенсорного датчика. Инструкция по его изготовлению и установке приведена в статье «Как сделать емкостной сенсорный включатель биде из готового модуля».

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Конструкция сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Предлагаю, уважаемые форумчане, обсудить работу и поделиться своим опытом использования емкостных датчиков приближения (емкостных реле) в устройствах охранных сигнализаций.

Для охранных устройств емкостные датчики представляют особый интерес и вот по каким причинам:

1. Принцип действия емкостных устройств таков, что они гарантированно обнаруживают приближение объекта и не могут его “не заметить” в отличие, например, от инфракрасных (ИК) и ультразвуковых (УЗ) датчиков, у которых расстояние срабатывания сильно зависит от того, какую поверхность имеет приближающийся объект.

Инфракрасные датчики реагируют на тепловые (инфракрасные) лучи и у нарушителя всегда есть возможность “загородиться”, – сделать так, что-бы эти, идущие от тела, тепловые лучи не попали на датчик сигнализации – для этого он может надеть зимнюю одежду, которая задерживает тепловые лучи или закрыться листом из жести или фольги – эти материалы не пропускают инфракрасные лучи.

К тому-же ультразвуковые датчики могут сработать от постороннего шума, а инфракрасные – реагируют на любое тепло, например, – они могут среагировать на выхлопную трубу автомашины или на зажжённую вдалеке спичку.

2. Емкостные датчики в отличие от ИК и УЗ можно использовать и в периметровых сигнализациях – для охраны протяжённых объектов, например садовых участков, и т.п.

В данных конструкциях, антенны (в виде проводов) располагаются горизонтально (прикрепляются к забору) и соединяются с устройством через конденсатор малой ёмкости. Конкретные примеры (в общем виде) подобных конструкций (ссылки Роспатента):

«Устройство для тревожной сигнализации емкостного типа», авторское свид-о № 372571:

стр. 1: http://195.208.85.248/Archive2/PAT/1924-1993/MSUR197301/DOC/DOCUSUA1/DOC003V3/D00372D2/00372571/00000001.TIF ,

стр. 2: http://195.208.85.248/Archive2/PAT/1924-1993/MSUR197301/DOC/DOCUSUA1/DOC003V3/D00372D2/00372571/00000002.TIF .

«Емкостное устройство для охранной сигнализации», патент РФ № 2277263:

http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll?ty=29&docid=2277263&cl=9&path=http://195.208.85.248/Archive/PAT/2006FULL/2006.05.27/DOC/RUNWC1/000/000/002/277/263/document.pdf .

3. Емкостные датчики могут обнаруживать объекты сквозь непрозрачные препятствия, они «чувствуют» человека даже через стены строений и иногда, подобные устройства – это единственное, что можно использовать для охраны.

Чаще всего, емкостные конструкции используют как датчики объёма, а их антенны (отрезок провода или металлич. пластина) устанавливаются вертикально.

У меня например, емкостной датчик стоит в коридоре квартиры, возле входной двери, а его порог срабатывания установлен в такое положение, – что-бы устройство срабатывало при прикосновении ключа к замочной скважине. Дверь, на которой установлен замок, – железная и при касании ключа дверь становится как-бы дополнительной обкладкой конденсатора, что оказывает воздействие на емкостной датчик и вызывает срабатывание – на 10 – 15 сек. включается звуковой сигнал, дающий понять «домушнику», что его засекли. и что ему следует «уносить ноги»

Когда-же дверь открывают хозяева, то после открытия, звуковой сигнал и само устройство сразу выключаются при помощи скрытого между двумя дверьми тумблера.

Громкость сигнала небольшая – для того, что-бы при срабатываниях (могут быть так-же и «ложняки») не поднимать на ноги весь подъезд, к тому-же, для охраны квартиры и небольшой громкости сигнала для большинства случаев будет достаточно – многие воришки для открывания двери используют подбор ключей и возится со всем этим они не станут, услышав, что в квартире сработала сигнализация.

Практические схемы емкостных датчиков могут быть самыми разными, например:

На частотозадающем LС-контуре: http://radiomaster.com.ua/519-emkostnoj-datchik.html .

Резонансного типа: http://sv6502.narod.ru/res.html .

Вообще, существует несколько типов (разновидностей) емкостных устройств и для каждого конкретного типа существует своя область применения, например, конденсаторные емкостные конструкции лучше всего использовать в качестве датчиков прикосновения к металлическим предметам (они удобны в изготовлении т.к. в таких конструкциях нет необходимости использовать катушки и контура, но они имеют невысокую помехоустойчивость из-за чего приходится уменьшать практически до предела чувствительность, – чтобы не было «ложняков»).

А широкоизвестные датчики на частотозадающем LС-контуре луше всего использовать в тех местах, где спокойная электромагнитная обстановка, например, в подвальных помещениях (они находятся ниже уровня земли и радиопомехи туда не проходят), а так-же, – в сельской местности, – подальше от радио и телестанций, только в этом случае от таких конструкций можно добиться приличной дальности действия – до нескольких десятков см. Подробно обо всём этом рассказывается в размещённой на портале статье «Емкостные датчики приближения»:

http://cxem.net/guard/3-59.php .

Кому доводилось, друзья, собирать емкостные датчики, рассказывайте, – где, для каких целей Вы их использовали и с каким результатом? Всем будет интересно.

Среди большого разнообразия емкостных конструкций порой бывает непросто выбрать наиболее подходящий для данного конкретного случая вариант емкостного датчика. Во многих публикациях на тему емкостных устройств область применения и отличительные особенности предлагаемых конструкций описываются весьма кратко и радиолюбитель зачастую не может сориентироваться – какую-же схему емкостного устройства следует предпочесть для повторения.

В данной статье приведено описание различных типов емкостных датчиков, даны их сравнительные характеристики и рекомендации по наиболее рациональному практическому использованию каждого конкретно взятого типа емкостных конструкций.

Как известно, емкостные датчики способны реагировать на любые предметы и, при этом, их расстояние срабатывания не зависит от таких свойств поверхности приближающегося объекта, как, например, тёплый он или холодный (в отличие от инфракрасных датчиков), а так-же – твёрдый или мягкий (в отличие от ультразвуковых датчиков движения). Кроме того, емкостные датчики могут обнаруживать объекты сквозь различные непрозрачные «преграды», например – стены строений, массивные заборы, двери и т.п. Использоваться подобные датчики могут как для охранных целей, так и для бытовых, например – для включения освещения при входе в помещение; для автоматического открывания дверей; в сигнализаторах уровня жидкости и т.п.
Существуют несколько типов емкостных датчиков.

1. Датчики на конденсаторах.
В датчиках этого типа сигнал срабатывания формируется с помощью конденсаторных схем и подобные конструкции можно разделить на несколько групп.
Наиболее простые из них – схемы на емкостных делителях.

Область применения емкостных датчиков на конденсаторах.
Данные устройства могут применяться там, где высокая чувствительность и помехоустойчивость не требуются, например в сигнализаторах прикосновения к металлич. предметам, датчиках уровня жидкости и т.п., а так-же, – для начинающих радиолюбителей, знакомящихся с емкостной техникой.

2. Емкостные датчики на частотозадающем LC-контуре.
Устройства данного типа менее подвержены воздействиям радиопомех и наводок по сравнению с датчиками на конденсаторах.
Антенна-датчик (обычно металлическая пластина) присоединяется (либо напрямую, либо через конденсатор ёмкостью в несколько десятков пФ) к частотозадающему LC-контуру ВЧ-генератора. При приближении какого-либо объекта – изменяется (увеличивается) ёмкость антенны и, соответственно, – ёмкость LС-контура. В результате – изменяется (понижается) частота генератора и происходит срабатывание.

Особенности емкостных датчиков данного типа.
1) LС-контур с присоединённой к нему антенной-датчиком является частью генератора, вследствие чего, воздействующие на антенну наводки и радиопомехи оказывают влияние и на его работу: через элементы положительной обратной связи помеховые сигналы (особенно импульсные) просачиваются на вход активного элемента генератора и усиливаются в нём, образуя на выходе устройства посторонние шумы, понижающие чувствительность конструкции к слабым сигналам и создающие опасность ложных срабатываний.
2) LС-контур, работающий в качестве частотозадающего элемента генератора, сильно нагружен и имеет пониженную добротность, в результате чего, снижаются избирательные свойства контура и ухудшается его способность изменять свою настройку при изменении ёмкости антенны, что дополнительно понижает чувствительность конструкции.
Вышеуказанные особенности датчиков на частотозадающем LС-контуре ограничивают их помехоустойчивость и дальность обнаружения объектов, к примеру, расстояние обнаружения человека датчиками этого типа составляет обычно 20 – 30 см.

Имеется несколько разновидностей и модификаций емкостных датчиков с частотозадающим LС-контуром.

Область применения датчиков с частотозадающим LС-контуром.
Подобные устройства могут использоваться для различных бытовых целей (включение освещения и т.п.), а так-же для обнаружения каких-либо объектов в местах со спокойной электромагнитной обстановкой, например – в подвальных помещениях (находящихся ниже уровня земли), а так-же за?городом (в сельской местности – при отсутствии радиопомех – датчики этого типа могут обнаруживать, к примеру, приближение человека на расстоянии до нескольких десятков см).
В городских-же условиях данные конструкции целесообразно использовать либо как датчики прикосновения к металлическим предметам, либо в составе тех устройств сигнализации, которые в случае ложных срабатываний не причиняют больших неудобств окружающим, например, – в устройствах, включающих отпугивающий световой поток и негромкий звуковой сигнал.

Благодаря вышеуказанному свойству, устройства на дифференциальных трансформаторах, также, как и описанные выше, дифференциальные конденсаторные датчики, устойчивы к погодно-климатическим колебаниям т.к. те воздействуют на обе антенны одинаково и затем взаимокомпенсируются и подавляются. Наводки и радиопомехи, при этом, не подавляются, устраняются лишь погодно-климатические воздействия, поэтому у дифференциальных датчиков, как и у датчиков на частотозадающем LС-контуре, периодически случаются ложные срабатывания. 
Располагаться-же антенны должны так, что-бы при приближении объекта, воздействие на одну из них было-бы больше, чем на другую.

Особенности дифференциальных датчиков.
Дальность обнаружения у этих устройств несколько выше по сравнению с датчиками на частотозадающем LС-контуре, но при этом дифференциальные датчики сложнее по конструкции и имеют повышенный потребляемый ток из-за потерь в трансформаторе, имеющего ограниченный к.п.д. Кроме того, подобные устройства имеют зону пониженной чувствительности между антеннами.

Область применения.
Датчики на дифференциальном трансформаторе предназначены для использования в уличных условиях. Данные устройства могут применяться там-же, где и датчики на частотозадающем LС-контуре, с той лишь разницей, что для установки дифференциального датчика необходимо место для второй антенны.

4. Резонансные емкостные датчики (патент РФ № 2419159; ссылка Роспатента).Высокочувствительные емкостные устройства – сигнал срабатывания в данных конструкциях формируется во входном LС-контуре, находящемся в частично расстроенном состоянии по отношению к сигналу с рабочего ВЧ-генератора, с которым контур соединён через конденсатор малой ёмкости (необходимый элемент сопротивления в цепи).
Принцип действия подобных конструкций имеет две составляющие: первая – это настроенный соответствующим образом LС-контур, и вторая – это элемент сопротивления, через который LС-контур подключается к выходу генератора.

Благодаря тому, что LС-контур находится в состоянии частичного резонанса (на скате характеристики), его сопротивление в цепи ВЧ-сигнала сильно зависит от ёмкости – как своей, так и ёмкости присоединённой к нему антенны-датчика. В результате – при приближении какого-либо объекта к антенне, ВЧ-напряжение на LС-контуре значительно меняет свою амплитуду, что является сигналом к срабатыванию устройства.

LC-контур при этом, не теряет своих избирательных свойств и эффективно подавляет (шунтирует на корпус) приходящие с антенны-датчика посторонние воздействия – наводки и радиопомехи, обеспечивая высокий уровень помехоустойчивости конструкции.

В резонансных емкостных датчиках рабочий сигнал с выхода ВЧ-генератора должен подаваться на LС-контур через некоторое сопротивление, величина которого должна быть сравнима с сопротивлением LС-контура на рабочей частоте, в противном случае, при приближении объектов к антенне-датчику, рабочее напряжение на LС-контуре будет очень слабо реагировать на изменения сопротивления LС-контура в цепи (ВЧ-напряжение контура будет просто повторять выходное напряжение генератора).

Может показаться, что LС-контур, находящийся в состоянии частичного резонанса, будет работать нестабильно и чрезмерно зависеть от температурных изменений. В действительности-же, – при условии использования контурного конденсатора с малым значением т.к.е. (М33 – М75) – контур достаточно стабилен, в том числе – и при работе емкостного устройства в уличных условиях. Например, при изменении температуры от +25 до -12 град. ВЧ-напряжение на LС-контуре изменяется не более чем на 6 %.

Кроме того, в резонансных емкостных конструкциях антенна соединена с LС-контуром через конденсатор малой ёмкости (использовать сильную связь в подобных устройствах нет необходимости), благодаря чему, погодные воздействия на антенну-датчик не нарушают работу LС-контура и его рабочее ВЧ-напряжение остаётся практически неизменным даже во время дождя.
По своей дальности действия резонансные емкостные датчики – значительно (иногда в разы) превосходят устройства на частотозадающих LС-контурах и на дифференциальных трансформаторах, обнаруживая приближение человека на расстоянии, значительно превышающем 1 метр.

При всём этом, высокочувствительные конструкции с использованием резонансного принципа действия появились лишь недавно – первой публикацией на данную тему является статья “Емкостное реле” (журн. “Радио” 2010 / 5, стр. 38, 39); кроме того, дополнительная информация о резонансных емкостных устройствах и их модификациях имеется так-же на интернет-странице автора вышеуказанной статьи: http://sv6502.narod.ru/index.html .

Особенности резонансных емкостных датчиков.
1) При изготовлении резонансного датчика, предназначенного для работы в уличных условиях, требуется обязательная проверка входного узла на термостабильность, для чего производится измерение потенциала на выходе детектора при различных температурах (для этого можно использовать морозилку холодильника), детектор при этом, должен быть термостабильным (на полевом транзисторе).
2) В резонансных емкостных датчиках связь между антенной и ВЧ-генератором слабая и поэтому излучение радиопомех в эфир у подобных конструкций очень незначительное, – в несколько раз меньшее по сравнению с другими типами емкостных устройств.

Область применения.
Резонансные емкостные датчики можно эффективно использовать не только в сельских и полевых, но и в городских условиях, воздерживаясь при этом, от размещения датчиков вблизи мощных источников радиосигналов (радиостанции, телецентры и т.п.), иначе и у резонансных емкостных устройств будут наблюдаться ложные срабатывания.
Устанавливать резонансные датчики можно в том числе и в непосредственной близости от других электронных устройств, – благодаря малому уровню излучения радиосигнала и высокой помехоустойчивости, резонансные емкостные конструкции имеют повышенную электромагнитную совместимость с другими устройствами.

В декабре 2012 г. в “Радио” была опубликована статья «Ёмкостный датчик приближения», однако во вступительной части статьи имеются некоторые неясности.
Данное устройство работает на принципе сравнения частоты / фазы сигналов, один из которых образцовый, а другой, – рабочий (измеряемый).
Особенность предложенного емкостного реле ( http://nice.artip.ru/yomkostnyy-datchik-priblizheniya ) в том, что в нём используется тоновый декодер – микросхема, специально предназначенная для обнаружения изменений в частоте или фазе сигнала, и использовавшаяся например, в бытовых видеомагнитофонах для стабилизации частоты вращения блока видеоголовок.
Это повышает чувствительность емкостного датчика, и всё-бы хорошо, но вот первая часть статьи, где подобные устройства сравниваются по своей дальности действия с другими типами емкостных реле, почему-то «пестрит» ошибками и опечатками и излишне «превозносит» датчики, работающие на принципе сравнения частоты / фазы, – над другими типами емкостных датчиков.

В статье, например, сказано, что у лучших конструкций, работающих по принципу сравнения частоты / фазы сигнала, дальность действия составляет аж 2 метра и при этом не приведены никакие конкретные примеры существования подобных «сверхчувствительных» конструкций, а когда предложенное устройство сравнивалось по дальности действия с датчиками на частотозадающем LС-контуре, то для сравнения почему-то были выбраны лишь простейшие схемы этих датчиков, – с дальностью действия 0,1 м.

Вообще, в первой части статьи имеется целая куча неточностей и полное впечатление – что текст статьи редактировался с большого «бадуна». Бывает, что в предновогодний период у типографий неожиданно возникает необходимость печатать дополнительные материалы на новогодние темы, и они начинают торопить редакции журналов сдавать им пораньше материал для печати, и те готовят статьи в спешке или не редактируют их вовсе.
Плохо, когда ошибки и ляпсусы возникают в статьях, написаных на темы важные. Из-за таких ошибок, многие, особенно начинающие, могут попросту запутаться в теме емкостных датчиков приближения и решить, что датчики, работающие по принципу сравнения частоты / фазы, – это «самое что ни-на-есть», а самом деле, – и по дальности действия, и по помехоустойчивости, – подобным конструкциям ещё далеко до других типов емкостных реле.

Что самое интересное, – это может-ли быть у таких датчиков двухметровая дальность обнаружения приближений? Если кому-нибудь попадались такие конструкции, – напишите, – где они описаны и при каких условиях они обнаруживают человека на таком большом расстоянии? Мне лично кажется, что если они и могут «чувствовать» с двух метров, – то только при полном отсутствии наводок и радиопомех т.к. входы у таких устройств – высокоомные и вдобавок – никак не подавляют посторонние электромагнитные воздействия.

Индикатор приближения человека или животного

Схема данного индикатора способна улавливать приближение человека или животного на расстоянии до 0,5 м, а также его можно использовать в качестве охранного устройства, определения действующей скрытой проводки или просто для развлечения.

Принцип его работы – увеличение наводки переменного напряжения в антенне при приближении к ней объекта с последующей индикацией, с помощью мигающего светодиода.

Описание работы устройства

В качестве датчика приближения служит антенна WA1 – отрезок провода длиной около 30 см, согнутого в форме знака вопроса. Пока наводка в антенне мала (а в жилых помещениях она всегда есть от сетевой проводки), сопротивление канала полевого транзистора VT1 составляет несколько десятков килоом и конденсатор С1 разряжен. Сопротивление канала VT2 велико и мигающий светодиод HL1 погашен.

При приближении человека в антенне наводится переменное напряжение, которое одной полуволной еще больше закрывает VT1, а другой открывает. В момент закрытия транзистора напряжение на конденсаторе С1 увеличивается и он начинает заряжаться. В то время, когда VT1 открывается, разрядиться через него конденсатору С1 мешает диод VD1. После нескольких таких циклов конденсатор зарядится настолько, что откроется транзистор VT2 и включит мигающий светодиод «Тревога». Если объект отойдет от антенны, VT1 перестанет закрываться и подпитывать конденсатор С1, который через некоторое время разрядится через резистор R2. VT2 закроется, сигнал тревоги погаснет.

Принципиальная схема

Устройство достаточно экономично и в режиме ожидания потребляет ток около 17 мкА, поэтому в качестве источника питания можно использовать любую батарею соответствующего напряжения – к примеру, «Корунд» или «Крона».

Настройка индикатора

Устройство достаточно просто и налаживание его сводится к размеру антенны «по месту». Если в месте установки естественные наводки слишком велики, то размеры антенны уменьшают, но при этом чувствительность прибора уменьшится. Если позволяют условия, то антенну увеличивают. Поскольку работа прибора основана на сетевых наводках, он, конечно, не будет работать вдали от электрических сетей, скажем, в поле, если рядом не проходит линия электропередач.

На месте VT1 будет работать КП103Д, 2П103Д. Зарубежный аналог КП504А — BS170P. Мигающий светодиод можно заменить обычным маломощным, но последовательно с ним придется поставить токоограничивающий резистор номиналом около 500-800 Ом.

БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК – СДЕЛАЙ САМ

Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами предупреждения, которые оповещают или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного «гостя» с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, на мой взгляд, интересны, но слишком сложные.

В противовес им предлагается простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (Рис. 4.11), собрать которую в силах начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные достоинства, одно из которых (высокая чувствительность по входу) используется для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (например, человека) к сенсору Е1.

Рис. 4.11. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика

Элементы схемы и их назначение

Основу схемы составляют два элемента микросхемы К561ТЛ1 (DD1), включенных как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмитта с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией сигнала на выходе. В таких элементах петля гистерезиса показывается внутри их обозначения.

Применение микросхемы К561ТЛ1 в данном случае оправдано тем, что она, как и серия К561 в частности имеет:

предельно малый рабочий ток;

высокую помехозащищенность (до 45% от уровня напряжения питания);

широкий диапазон питающего напряжения — от 3 до 15 В;

защищенность по входу от потенциала статического электричества и кратковременного превышения входных уровней.

Эти и другие достоинства микросхемы позволяют использовать ее в радиолюбительских конструкциях без каких-либо особых мер предосторожности и защиты. Кроме того, микросхема К561ТЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала кратно увеличивается.

Триггеры Шмитта — это, как правило, бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с «примесью» помех. При этом они обеспечивают по выходу крутые фронты импульсов, которые можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема К561ТЛ1 (как, впрочем, и микросхема К561ТЛ2) может выделять управляющий сигнал, в том числе цифровой, для других устройств из аналогового, или нечеткого, входного импульса. Зарубежным аналогом микросхемы К561ТЛ1 является микросхема CD4093B.

Схема включения инверторов — классическая и описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки заключается в конструктивных нюансах.

После включения питания на входе элемента DD1.1 возникает неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 имеется напряжение высокого уровня, на выходе DD1.2 опять низкое. Транзистор VT1, играющий роль усилителя тока, закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НА1 с внутренним генератором 34 не активен.

К сенсору Е1 подключена автомобильная телескопическая антенна. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. При этом элементы DD1.1, DD1.2 переключаются в противоположные состояния. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться или проходить рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1.5 м.

На выводе 4 микросхемы появляется напряжение высокого уровня. При этом открывается транзистор VT1 и звучит капсюль НА1.

Электрическую схему (Рис. 4.11) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного узла. Для этого следует исключить из схемы постоянный резистор Rlt экранированный провод. Сенсором в этом случае будут контакты микросхемы 1 и 2.

В эксперименте принимали участие животные — кошка и собака. Оказалось, что на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует. Принцип действия в данном устройстве основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и землей (общим проводом, всем тем, что соотносится к заземляющему контуру; в данном случае это пол и стены помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы К561ТЛ1.

Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь — металлическая. Громкость сигнала 34, излучаемого капсюлем ΗΑ1, достаточна, чтобы услышать его на закрытой лоджии, и сопоставима с громкостью квартирного звонка.

Оксидный конденсатор С2. Действует как дополнительный фильтр по питанию. Тип конденсатора — К50-35 или аналогичный на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.

Рис. 4.12. Устройство с автомобильной антенной в виде емкостного датчика

При неукоснительном соблюдении всех рекомендаций устройство не требует наладки.

Транзистор VT1. Необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит слабо. Может быть заменен транзисторами КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.

Капсюль-излучатель НА1. Может быть заменен аналогичным капсюлем со встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например: FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.

Благодаря применению капсюля со встроенным генератором проявляется интересный эффект: при приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека на расстояние около 1,5 м от Е1) капсюль издает стабильный прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.

Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и стабильный прерывистый сигнал при максимальном приближении.

Относительным недостатком устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой», так как узел сигнализирует о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры. Основа работы узла — электрические наводки и изменение емкости. Такой узел эффективно работает только в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций.

Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле — везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.

Экспериментируя с данным узлом и микросхемой К561ТЛ1 (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.

Монтаж элементов выполняется на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства может быть из любого диэлектрического материала.

Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, который подключается параллельно источнику питания.

ДАТЧИКИ ПРИБЛИЖЕНИЯ

Многие устройства из промышленной автоматики требуют бесконтактного обнаружения присутствия или положения объекта, чтобы гарантировать реакцию системы или безопасность. Датчик приближения идеально подходит для этой роли, но эти элементы есть во многих версиях, включая магнитные, емкостные, индуктивные и оптические, да и материал из которого сделан обнаруживаемый объект, может влиять на обнаруживающую способность датчика.

В качестве примеров тут рассматриваются образцы решений от таких компаний, как Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse, Omron Electronics, MaxBotix и Carlo Gavazzi.

Некоторые датчики приближения подходят для обнаружения ферромагнитных материалов, в то время как другие подходят для любого типа металла. Третьи могут обнаруживать всевозможные объекты, в том числе присутствие людей. Следовательно нужно знать о возможностях и ограничениях различных типов и свойств технологии датчиков приближения и их применимости в конкретных ситуациях.