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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA sensor capacitivo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Indicadores, detectores A versão proposta do sensor de proximidade capacitivo é econômica, opera em uma ampla faixa de valores de tensão de alimentação e possui alta estabilidade do limite de resposta quando a temperatura muda. Nos últimos 20 anos, muitas descrições de projetos de sensores de proximidade foram publicadas em livros e revistas para radioamadores, diferindo no princípio de operação, sensibilidade, complexidade e na base do elemento usado. No entanto, muitos deles são adequados para operação apenas em condições próximas às de laboratório, com temperatura ambiente e tensão de alimentação praticamente constantes. Por exemplo, o sensor descrito em [1] é feito em um microcircuito digital e é altamente econômico, mas seu limite de resposta depende significativamente da tensão de alimentação. A estabilidade de sua operação em alta umidade devido à alta resistência do resistor R2 é claramente insuficiente e depende fortemente do comprimento dos fios que conectam o conjunto eletrônico ao elemento sensor. Os sensores propostos em [2] consomem corrente de até vários miliamperes, o que limita a possibilidade de seu uso em sistemas autoalimentados. Devido à dependência das características de limite do amplificador operacional na temperatura e na tensão de alimentação, é possível que esse sensor esteja constantemente no estado acionado ou pare de funcionar completamente. O sensor proposto é um pouco mais complicado do que os mencionados acima, mas difere deles pela ausência de elementos de enrolamento, boa repetibilidade e opera com tensão de alimentação de 3 ... 15 V, consumindo aproximadamente 40 μA (com tensão de 5 V). É caracterizado pela independência do limite de resposta da temperatura ambiente e tensão de alimentação, baixa sensibilidade a interferências e interferências eletromagnéticas. É possível calcular com precisão o limite de resposta com base nas classificações dos elementos usados ou calcular essas classificações para obter o limite de resposta necessário. O circuito do sensor é mostrado na fig. 1. No gatilho DD1.1, um gerador de pulso é feito. Sua duração (aproximadamente 0,2 ms) é definida pelo circuito R1C1 e o período de repetição (aproximadamente 1,5 ms) pelo circuito R2C2. O detector de subtensão DA1 por algum tempo após ligar o dispositivo mantém a tensão na entrada S do gatilho DD1.1 em um nível lógico baixo, excluindo assim o estado de nível alto proibido em ambas as entradas de configuração (R e S) do gatilho. Caso contrário, no caso de um aumento da tensão de alimentação a uma taxa inferior a 2 ... 3 V / ms, o gerador não será autoexcitado.
Os pulsos do gerador acionam simultaneamente dois vibradores individuais. O primeiro (no gatilho DD2.1) gera pulsos de duração exemplar, dependendo das classificações dos elementos R4, R5, C4. A duração do pulso do segundo vibrador único (no gatilho DD2.2) depende da resistência do resistor R3 e da capacitância do capacitor formado pelas placas de metal E1 e E2. O capacitor de isolamento C5 evita o contato acidental com a tensão CC da entrada do acionador DD2.2. A operação do sensor é baseada na comparação da duração do pulso gerado por dois vibradores individuais. Se o pulso do segundo vibrador único (de medição) for mais curto que o pulso do primeiro (exemplo), no momento de uma queda de tensão positiva na saída inversa do gatilho DD2.1 (no ponto 1, consulte a Fig. 1), o nível de tensão na saída do gatilho DD2.2 (no ponto 2) será baixo. O gatilho de comparação DD1.2, acionado por um diferencial positivo na entrada C, entrará em um estado lógico baixo na saída. Caso contrário (o pulso de medição é maior que o de referência), o nível no ponto 2 e na saída do gatilho DD1.2 será alto. Quando a capacitância entre as placas E1 e E2 aumenta com a aproximação de um objeto estranho, o nível baixo no pino 2 do conector X1 é substituído por um nível alto. O valor limite da capacitância, acima do qual isso ocorre, é determinado pela fórmula
onde R4BB é a resistência de entrada do resistor de ajuste R4; Svh ≈ 6 pF - capacitância de entrada R do gatilho. Com o valor do resistor R5 indicado no diagrama, usando R4, você pode alterar o limite de capacitância de 6 para 32 pF. Como os elementos ativos dos multivibradores estão localizados dentro do mesmo microcircuito DD2, quando a temperatura ou a tensão de alimentação muda, suas características e a duração dos pulsos gerados mudam da mesma forma. Isso garante a estabilidade do limite de resposta do sensor em uma ampla faixa de mudanças de temperatura e tensão de alimentação. No sensor, você pode usar resistores fixos S2-Z3n, MLT, S2-23 ou similares com potência de 0,125 ou 0,25 W com tolerância de pelo menos ± 5%. Como R4, é desejável usar um resistor de corte com um pequeno TKS (por exemplo, SPZ-19a, SPZ-196). Por esse motivo, o uso generalizado de resistores SDR-38a não é recomendado. Capacitores C1 - C4 - qualquer cerâmica de pequeno porte (KM-5, KM-6, K10-17 ou similares importados). O capacitor de separação C5 deve ser de alta tensão (por exemplo, K15-5), classificado para uma tensão de pelo menos 500 V. Sua capacitância pode estar na faixa de 1000 ... 4700 pF. Diodo VD1 - qualquer uma das séries KD103, KD503, KD521, KD522. Os chips K561TM2 podem ser substituídos por 564TM2 ou seus equivalentes importados. O detector de subtensão (DA1) deve ser selecionado com uma tensão limite obviamente menor que a tensão mínima de alimentação do sensor. Por exemplo, quando alimentados com uma tensão de 5 V, os detectores KR1171SP42, KR1171SP47 são adequados, a 9 V - também KR1171SP53, KR1171SP64, KR1171SP73. A unidade eletrônica do sensor é montada em uma placa de fibra de vidro de 1,5 mm de espessura. Um desenho de condutores impressos e a localização das peças é mostrado na fig. 2. Recomenda-se que o elemento sensor (placas E1 e E2) seja projetado na forma de um capacitor "desembrulhado" [2], conectando-o à unidade eletrônica com fios de comprimento não superior a 50 mm.
A configuração do sensor se resume a definir o limite com os resistores R4 e R5. O funcionamento pode ser controlado através de um circuito de um LED (ânodo ao pino 2 do conector X1) e uma resistência com valor nominal de 2,2 ... 4,7 kOhm (entre o cátodo do LED e o pino 3 do conector). Ligando a energia, girando o motor do resistor de ajuste R4, acenda o LED e, a seguir, gire o motor um pouco para a direita (conforme o diagrama) - ele se apagará. O ajuste correto será indicado pelo acendimento do LED quando um objeto se aproximar do elemento sensor. Se o LED não acender mesmo na posição extrema esquerda do controle deslizante do resistor R4, você deve instalar um jumper em vez de R5 e repetir a configuração. O dispositivo pode ser usado como um sensor de toque humano na placa E2, e qualquer objeto de metal, por exemplo, uma maçaneta, pode desempenhar seu papel. Nesse caso, a placa E1 pode ser totalmente abandonada e os resistores R4 e R5 podem ser substituídos por um resistor com valor nominal de 330 kOhm. Uma das variantes do sensor, fabricada pelo autor, possuía um elemento sensível na forma de um capacitor plano com área de placa de 100 cm2 e distância entre eles de 5 mm. Funcionou com segurança quando o espaço entre as placas foi preenchido com óleo de máquina em 70% na faixa de temperatura de -30. ..+85 °С. Operações causadas por condensação de água, aproximação de mãos e outros fatores interferentes não foram registradas. Com tal uso e aplicação como elemento sensível de um capacitor plano ou cilíndrico, recomenda-se primeiro estimar o valor necessário da resistência de entrada do resistor de ajuste R4 de acordo com a fórmula
onde Cnp é a capacitância dos fios de conexão; Ck é a capacitância do elemento sensível, calculada de acordo com as fórmulas conhecidas para a capacitância de um capacitor plano ou cilíndrico. Se o valor calculado for negativo, o resistor R5 deve ser excluído do circuito e, se for superior a 200 kOhm, o valor de R5 deve ser aumentado para que a resistência R4BB fique entre 100 ... 150 kOhm. Finalmente, o sensor é ajustado da maneira descrita acima. Literatura
Autor: M. Ershov, Tula
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