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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA sensor capacitivo Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Indicadores, detectores La versión propuesta del sensor de proximidad capacitivo es económica, opera en un amplio rango de valores de tensión de alimentación y tiene una alta estabilidad del umbral de respuesta cuando cambia la temperatura. Durante los últimos 20 años, se han publicado muchas descripciones de diseños de sensores de proximidad en libros y revistas para radioaficionados, que difieren en el principio de funcionamiento, la sensibilidad, la complejidad y la base de elementos utilizada. Sin embargo, muchos de ellos son aptos para operar solo en condiciones cercanas a las de laboratorio, a temperatura ambiente y tensión de alimentación prácticamente constantes. Por ejemplo, el sensor descrito en [1] está hecho sobre un microcircuito digital y es muy económico, pero su umbral de respuesta depende significativamente de la tensión de alimentación. La estabilidad de su funcionamiento a alta humedad debido a la alta resistencia de la resistencia R2 es claramente insuficiente y depende en gran medida de la longitud de los cables que conectan el conjunto electrónico al elemento sensor. Los sensores propuestos en [2] consumen corriente hasta varios miliamperios, lo que limita la posibilidad de su uso en sistemas autoalimentados. Debido a la dependencia de las características de umbral del amplificador operacional en la temperatura y el voltaje de suministro, es posible que dicho sensor esté constantemente en estado activado o deje de funcionar por completo. El sensor propuesto es un poco más complicado que los mencionados anteriormente, pero difiere de ellos en la ausencia de elementos de bobinado, buena repetibilidad y funciona con una tensión de alimentación de 3 ... 15 V, consumiendo aproximadamente 40 μA (con una tensión de 5 V). Se caracteriza por la independencia del umbral de respuesta de la temperatura ambiente y la tensión de alimentación, baja sensibilidad a interferencias e interferencias electromagnéticas. Es posible calcular con precisión el umbral de respuesta en función de las calificaciones de los elementos utilizados, o calcular estas calificaciones para obtener el umbral de respuesta requerido. El circuito del sensor se muestra en la fig. 1. En el disparador DD1.1, se hace un generador de pulso. Su duración (aproximadamente 0,2 ms) la establece el circuito R1C1 y el período de repetición (aproximadamente 1,5 ms) el circuito R2C2. El detector de bajo voltaje DA1 durante algún tiempo después de encender el dispositivo mantiene el voltaje en la entrada S del disparador DD1.1 en un nivel lógico bajo, excluyendo así el estado de alto nivel prohibido en ambas entradas de ajuste (R y S) del disparador. De lo contrario, en el caso de un aumento en el voltaje de suministro a una tasa de menos de 2 ... 3 V / ms, el generador no se autoexcitará.
Los pulsos del generador activan simultáneamente dos vibradores individuales. El primero (en el gatillo DD2.1) genera pulsos de duración ejemplar, dependiendo de las clasificaciones de los elementos R4, R5, C4. La duración del pulso del segundo vibrador único (en el gatillo DD2.2) depende de la resistencia de la resistencia R3 y de la capacitancia del capacitor formado por las placas de metal E1 y E2. El condensador de aislamiento C5 evita el contacto accidental con el voltaje de CC de la entrada del disparador DD2.2. El funcionamiento del sensor se basa en una comparación de la duración del pulso generado por dos vibradores individuales. Si el pulso del segundo vibrador individual (de medición) es más corto que el pulso del primero (ejemplo), en el momento de una caída de voltaje positiva en la salida inversa del disparador DD2.1 (en el punto 1, vea la Fig. 1), el nivel de voltaje en la salida del disparador DD2.2 (en el punto 2) será bajo. El disparador de comparación DD1.2, activado por un diferencial positivo en la entrada C, entrará en un estado lógico bajo en la salida. De lo contrario (el pulso de medición es más largo que el de referencia), el nivel en el punto 2 y en la salida del disparador DD1.2 será alto. Cuando la capacitancia entre las placas E1 y E2 aumenta con la aproximación de un objeto extraño, el nivel bajo en el pin 2 del conector X1 es reemplazado por uno alto. El valor umbral de la capacitancia, por encima del cual esto ocurre, está determinado por la fórmula
donde R4BB es la resistencia de entrada de la resistencia de sintonización R4; Svh ≈ 6 pF - capacitancia de entrada R del disparador. Con el valor de la resistencia R5 indicado en el diagrama, usando R4, puede cambiar el umbral de capacitancia de 6 a 32 pF. Dado que los elementos activos de los multivibradores se encuentran dentro del mismo microcircuito DD2, cuando cambia la temperatura o la tensión de alimentación, sus características y la duración de los pulsos generados cambian de la misma forma. Esto asegura la estabilidad del umbral de respuesta del sensor en un amplio rango de cambios de temperatura y tensión de alimentación. En el sensor se pueden utilizar resistencias fijas S2-Z3n, MLT, S2-23 o similares con una potencia de 0,125 o 0,25 W con una tolerancia de al menos ± 5%. Como R4, es deseable usar una resistencia de recorte con un TKS pequeño (por ejemplo, SPZ-19a, SPZ-196). Por esta razón, no se recomienda el uso generalizado de resistencias SDR-38a. Condensadores C1 - C4: cualquier cerámica de tamaño pequeño (KM-5, KM-6, K10-17 o similares importados). El condensador de separación C5 debe ser de alto voltaje (por ejemplo, K15-5), clasificado para un voltaje de al menos 500 V. Su capacitancia puede estar en el rango de 1000 ... 4700 pF. Diodo VD1: cualquiera de las series KD103, KD503, KD521, KD522. Los chips K561TM2 se pueden reemplazar por 564TM2 o sus equivalentes importados. El detector de bajo voltaje (DA1) debe seleccionarse con un voltaje de umbral que sea obviamente menor que el voltaje mínimo de suministro del sensor. Por ejemplo, cuando se alimentan con un voltaje de 5 V, los detectores KR1171SP42, KR1171SP47 son adecuados, a 9 V, también KR1171SP53, KR1171SP64, KR1171SP73. La unidad electrónica del sensor está montada en una placa de lámina de fibra de vidrio de 1,5 mm de espesor. En la fig. 2. Se recomienda diseñar el elemento sensor (placas E1 y E2) en forma de un condensador "sin envolver" [2], conectándolo a la unidad electrónica con cables de no más de 50 mm.
La configuración del sensor se reduce a establecer el umbral con las resistencias R4 y R5. El funcionamiento se puede controlar mediante un circuito de un LED (ánodo al pin 2 del conector X1) y una resistencia con un valor nominal de 2,2 ... 4,7 kOhm (entre el cátodo del LED y el pin 3 del conector). Encienda la alimentación, girando el motor de la resistencia de sintonización R4, logre el encendido del LED y luego girando el motor un poco hacia la derecha (según el diagrama), se apagará. El ajuste correcto se indicará cuando el LED se encienda cuando un objeto se acerque al elemento sensor. Si el LED no se enciende incluso en la posición extrema izquierda del control deslizante de resistencia R4, debe instalar un puente en lugar de R5 y repetir la configuración. El dispositivo se puede utilizar como un sensor táctil humano en la placa E2, y cualquier objeto metálico, por ejemplo, un picaporte, puede desempeñar su función. En este caso, la placa E1 se puede abandonar por completo y las resistencias R4 y R5 se pueden reemplazar con una resistencia con un valor nominal de 330 kOhm. Una de las variantes del sensor, realizada por el autor, tenía un elemento sensible en forma de capacitor plano con un área de placas de 100 cm2 y una distancia entre ellas de 5 mm. Funcionó con confianza cuando el espacio entre las placas se llenó con aceite de máquina en un 70 % en el rango de temperatura de -30. ..+85 °C. No se han registrado las operaciones causadas por la condensación del agua, las manos que se acercan y otros factores que interfieren. Con tal uso y aplicación como elemento sensible de un capacitor plano o cilíndrico, se recomienda estimar primero el valor requerido de la resistencia de entrada de la resistencia de sintonización R4 de acuerdo con la fórmula
donde Cnp es la capacitancia de los cables de conexión; Ck es la capacitancia del elemento sensible, calculada según las fórmulas conocidas para la capacitancia de un capacitor plano o cilíndrico. Si el valor calculado resultó ser negativo, la resistencia R5 debe excluirse del circuito, y si supera los 200 kOhm, el valor de R5 debe aumentarse para que la resistencia R4BB se encuentre dentro de 100 ... 150 kOhm. Finalmente, el sensor se ajusta de la manera descrita anteriormente. Literatura
Autor: M. Ershov, Tula
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