Сенсоры и их узлы или как забыть про кнопки

Сенсорные устройства зарекомендовали себя надежно и неприхотливо в различных радиолюбительских «штучках». Они позволяют сберегать кнопки с механическими контактами и плоские клавиатуры и привносят в устройство некоторую оригинальность. Применять сенсоры можно практически в любом электронном устройстве как прибор, коммутирующий каналы информации или какую-либо нагрузку. Ограничение для сенсоров только одно- оно вытекает из физического объяснения работы системы. Сенсоры бесполезны в лесах, на природе и вдали от электрических коммуникаций, иногда ненадежно работают в поселках в домах с земляным полом. Ведь сенсор улавливает наведенное в теле человека небольшое переменное напряжение 0,05...0,5 В от находящихся рядом проводов электросетей. Если заземлить человека одновременно с касанием сенсорного контакта намеренно или случайно взяться за токопроводящую водопроводную коммуникацию, то эффекта от электрических наводок также не будет, все они уйдут «в землю». Далее рассмотрим два разных схемных решения, объединенных эффектом сенсора.

На рис. 2.2 представлена схема сенсорного триггера с двумя сенсорами, иными словами . Рассмотрим работу схемы на примере блока 1 (блок 2 аналогичен блоку 1). С помощью коаксиального кабеля от телевизионной антенны конденсатор С1 подключают к небольшой токопроводящей площадке F1, с максимальными размерами 60x60 мм. Длина коаксиального соединения может достигать 1 м. Экран кабеля подключают к общему проводу. Конденсатор С1 пропускает сетевые наводки от тела человека с частотой 50 Гц.

Рис. 2.2

Диоды VD1, VD2 выпрямляют переменное напряжение наводок и через ограничивающий резистор R1 оно поступает на вход первого инвертора. Полевые транзисторы на входе логического элемента обладают высокой чувствительностью и кроме инверсии сигнала еще и усиливают его. Резистор R2 необходим для нейтрализации ложных срабатываний от помех из-за колебания входных токов элемента D1.1. На выходе элемента импульсный сигнал свободно проходит через конденсатор С2 (гальваническую развязку) и уже имеет форму меандра сетевой частоты, который детектируется диодами VD3, VD4 и сглаживается конденсатором СЗ. Далее фронт импульса (при касании сенсора) усиливается и дважды инвертируется логическими элементами D1.2, D1.3. С выв. 8 микросхемы К561ЛА7 фронт импульса проходит через диод развязки VD6 и управляет триггером Шмитта на элементе D2.1. Элемент D2.1 находится в состоянии ожидания за счет делителя напряжения R4R5. Низкий логический уровень, поданный на вход D2.1 через диод VD7 от блока 2, переключит элемент (на его выходе появится и будет удерживаться состояние высокого логического уровня) - транзисторный ключ откроется, включит реле. Оно своими контактами коммутирует маломощную нагрузку. Высокий логический уровень, поступивший на вход триггера Шмитта через диод VD6 от блока 1, перебросит триггер в другое устойчивое состояние, транзисторный ключ на VT1 закроется и реле отключит нагрузку.

Диод VD5 препятствует броскам обратного напряжения при коммутации реле, защищая транзистор. Напряжение питания схемы может варьироваться от +5 до +15 В. При максимальных значениях напряжения питания чувствительность сенсорного устройства уменьшается, поэтому необходимо точнее подобрать значения элементов R1, R2, R3 и конденсаторов С1, С2. Наилучшие результэты получены при эксплуатации схемы с питающим стабилизированным напряжением в интервале +5...+8 В. Исполнительное реле также следует подбирать исходя из питающего напряжения схемы.

Рис. 2.3

На рис. 2.3 представлена очень чувствительная сенсорная схема, реагирующая на прикосновение человека к сенсорной пластине Е1 даже через перчатки или одежду. В схеме предусмотрены регулировки чувствительности (переменный резистор R4) и задержки срабатывания (переменный резистор R1). Популярная микросхема DA1 КР1006ВИ1 включена по стандартной схеме. После воздействия на сенсор через 2...10 с (задержка определяется значениями элементов времязадающей цепи R1R2C1) на выв. 3 появляется исходный низкий уровень напряжения. Транзистор VT1 закрывается, но не выключает реле, так как используется тиристор VS1 в ключевом режиме. Реле будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока не будет (хотя бы кратковременно) нарушена цепь питания схемы переключателем S1. Контакты реле К1 коммутируют цепь маломощной нагрузки. Схему можно использовать универсально - как сигнальное устройство или устройство управления любой маломощной активной нагрузкой. Резистор R4 исключать из схемы нельзя, так как без него устройство работает ненадежно. Он задает смещение тиристору и тем самым регулирует его порог срабатывания. Если все элементы схемы правее точки А (по схеме) исключить, то получится надежный сенсорный узел, где выход DA1 (выв. 3) будет способен управлять любыми электронными устройствами. Размах управляющего напряжения в этом случае составит 2/3 напряжения питания.

На рис. 2.4 показана схема простого сенсора на микросхеме К1564ТЛ2 с передаточной характеристикой триггеров Шмитта. Касание сенсоров Е1 и Е2 вызывает устойчивое состояние соответственно высокого (лог. 1) и низкого (лог. 0) логического уровня на выходе элемента D1.1 (выв. 2).

Рис. 2.4

 При замыкании токопроводящим предметом (например, пальцем) сенсора подается лог. 0 на один из входов триггера. При одновременном замыкании обоих сенсоров система остается в первоначальном состоянии.

Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов - Радиолюбителям схемы, Москва 2008