Бесконтактний ємнісний перемикач на логічних елементах

Цей високочутливий, безконтактний датчик наявності людини є результатом нескладного експерименту і може бути корисним для багатьох застосувань. Мікросхема 74HC02 NOR працює як високопротистояння ємнісний датчик. Вона встановлює / скидає тригерну схему та керує світлодіодом і реле для пристрою управління потужністю. Просте розміщення пальця поблизу площадки, буде достатньо для переключення тригера – пряме дотик людиною не вимагається, тому площадка може бути ізольована. Діапазон дії пристрою з налаштовуваним рівнем чутливості становить 15 мм. Пристрій живиться від 12В джерела постійного струму.

Ця схема є удосконаленою версією попереднього рішення, для якого потрібні дві контактні площадки: Non-Contact Human Interface Capacitive Switch

Принцип роботи

Ємність входу логічного елемента зазвичай становить 3 пФ. Для того щоб зробити цей вхід більш чутливим до ємності людського тіла, рекомендується встановити резистор зміщення величиною 100 МОм. Також цю величину опору можна отримати з ланцюга послідовно з'єднаних резисторів номіналом від 10 до 22 МОм. Другий вивід резистора підключається до потенціометра зміщення, тому статичне вхідне напруга може бути встановлено дуже близько до цифрового порогу спрацьовування (близько Vcc /2). Чутливість також збільшується шляхом зниження напруги Vcc до рівня 3 В (мінімальне робоче напруга становить 2.0 В). Радіус дії пристрою величиною 15 мм досягається шляхом використання резистора опором 62 МОм. Контактна площадка представляє собою 1 центову монету, припоєну до резистора величиною 1 МОм. Радіус дії пристрою збільшується до 25 мм при використанні руки замість пальця.

Після установки або скидання тригерної схеми, конденсатор C2 заряджається або розряджається через резистор R7. Коли він досягає порогу (Vcc /2), логічні елементи U2A & B переключають вхідний сигнал на протилежний вхід триггера.

N-канальний MOSFET 2N7000 (Q1) керує ультраяскравим білим світлодіодом з струмом 20 мА і реле напругою 12 В.

Вхідний резистор величиною 1 МОм захищає інтегральну схему від статичного розряду і дозволяє дотикатися до контактної площадки без небезпеки електростатичного пробою.

Ускладнення при розробці схеми

Найбільшою проблемою при проектуванні схеми було помістити логічний елемент U2C всередині ланцюга U1. Елемент U2C безконтрольно генерував імпульси при перетині порогу спрацьовування, що створювало електричні перешкоди, які порушували роботу всього пристрою. Ще однією складністю було те, що один з входів логічного елемента був пошкоджений (можливо, електростатичним розрядом), тому він мав надмірну витікання, яка заважала роботі з високим імпедансом. Іншим важливим питанням був той факт, що коли напруга логічного елемента зміщувалася близько до напруги перемикання елемента, ІС починала працювати в лінійному режимі і пропускати суттєвий струм джерела живлення – цей струм заважав високому імпедансу при регулюванні джерела живлення, з яким я зіткнувся в двоконтактній версії цієї схеми. Тому я встановив регулятор LM317LZ для створення джерела живлення з низьким імпедансом величиною 3 В. Далі я збільшив вхідну напругу до 12 В і додав в схему реле з напругою спрацьовування 12 В.

Установка контактних площадок

Контактні площадки також можуть бути ізольовані або розміщуватися на задній стороні тонкої пластини, наприклад на шматочку пофарбованого полотна і т.д.

Обмеження

Чим ближче потенціометр регулювання чутливості встановлений до порогового значення, тим більша ймовірність, що електростатична або електромагнітна перешкода призведе до переключення стану. Тому не встановлюйте на максимальну продуктивність. Також не використовуйте дане схемне рішення для критично важливих застосувань.

Майбутні коригування

В схему необхідно встановити додатковий логічний елемент для запобігання ненавмисному спрацьовуванню тригера в разі, якщо палець не відразу прибирається після установки / скидання тригерної ланцюга.

Список радіоелементів

Оригінал статті