Вкнигах и журналах для радиолюбителей за последние 20 лет опубликовано немало описаний конструкций датчиков приближения, различающихся принципом действия, чувствительностью, сложностью и используемой элементной базой. Однако многие из них пригодны для работы лишь в условиях, близких к лабораторным, при практически неизменных температуре окружающей среды и напряжении питания.

Например, датчик, описанный в [1], выполнен на цифровой микросхеме и обладает высокой экономичностью, однако порог его срабатывания существенно зависит от напряжения питания. Устойчивость его работы при повышенной влажности из-за высокого сопротивления резистора R2 явно недостаточна и сильно зависит от длины проводов, соединяющих электронный узел с чувствительным элементом.

Датчики, предложенные в [2], потребляют ток до нескольких миллиампер, что ограничивает возможность их применения в системах с автономным питанием. Из-за зависимости порога характеристик ОУ от температуры и напряжения питания возможна ситуация, когда такой датчик либо будет постоянно находиться в сработавшем состоянии, либо перестанет срабатывать совсем.

Предлагаемый датчик немного сложнее упомянутых выше, но отличается от них отсутствием намоточных элементов, хорошей повторяемостью, работает при напряжении питания 3...15 В, потребляя приблизительно 40 мкА (при напряжении 5 В). Для него характерны независимость порога срабатывания от температуры окружающей среды и напряжения питания, малая чувствительность к электромагнитным помехам и наводкам. Возможен точный расчет порога срабатывания, исходя из номиналов используемых элементов, или расчет этих номиналов для получения требуемого порога срабатывания.

Схема датчика показана на рис. 1. На триггере DD1.1 выполнен генератор импульсов. Их длительность (приблизительно 0,2 мс) задана цепью R1C1, а период повторения (приблизительно 1,5 мс) — цепью R2C2. Детектор понижения напряжения DA1 некоторое время после включения питания прибора удерживает напряжение на входе S триггера DD1.1 на низком логическом уровне, исключая таким образом запрещенное состояние высокого уровня на обоих установочных входах (R и S) триггера. Иначе в случае нарастания напряжения питания со скоростью менее 2...3 В/мс самовозбуждения генератора не произойдет.

Импульсы генератора одновременно запускают два одновибратора. Первый (на триггере DD2.1) формирует импульсы образцовой длительности, зависящей от номиналов элементов R4, R5, С4. Длительность импульсов второго одновибратора (на триггере DD2.2) зависит от сопротивления резистора R3 и емкости конденсатора, образованного металлическими пластинами Е1 и Е2. Разделительный конденсатор С5 предотвращает случайное попадание на вход триггера DD2.2 постоянного напряжения.

Работа датчика основана на сравнении длительности импульсоа, формируемых двумя одновибраторами. Если импульс второго (измерительного) одновибратора короче импульса первого (образцового), в момент положительного перепада напряжения на инверсном выходе триггера DD2.1 (в точке 1, см. рис. 1) уровень напряжения на выходе триггера DD2.2 (в точке 2) будет низким. Триггер сравнения DD1.2, срабатывающий по положительному перепаду на входе С, перейдет в состояние низкого логического уровня на выходе. В противном случае (измерительный импульс длиннее образцового) уровень в точке 2 и на выходе триггера DD1.2 будет высоким.

Когда с приближением постороннего предмета к пластинам Е1 и Е2 емкость между ними увеличивается, низкий уровень на выводе 2 разъема Х1 сменяется высоким. Пороговое значение емкости, при превышении которого зто происходит, определяют по формуле

где R4_BB — введенное сопротивление подстроечного резистора R4; С_вх ≈ 6 пф — емкость входа R триггера. При указанном на схеме номинале резистора R5 с помощью R4 можно изменять порог срабатывания по емкости от 6 до 32 пФ.

Так как активные элементы мультивибраторов находятся внутри одной микросхемы DD2, при изменении температуры или напряжения питания их характеристики и длительности формируемых импульсов изменяются одинаково. Это обеспечивает стабильность порога срабатывания датчика в широком интервале изменения температуры и напряжения питания.

В датчике можно использовать постоянные резисторы С2-З3н, МЛТ, С2-23 или аналогичные мощностью 0,125 или 0,25 Вт с допуском не хуже ±5 %. В качестве R4 желательно использовать подстроечный резистор с малым ТКС (например, СПЗ-19а, СПЗ-196). Широко распространенные резисторы СПЗ-38а по этой причине применять не рекомендуется. Конденсаторы С1 — С4 — любые малогабаритные керамические (КМ-5, КМ-6, К10-17 или аналогичные импортные). Разделительный конденсатор С5 должен быть высоковольтным (например, К15-5), рассчитанным на напряжение не менее 500 В. Его емкость может лежать в пределах 1000...4700 пФ. Диод VD1 — любой из серий КД103, КД503, КД521, КД522.

Микросхемы К561ТМ2 можно заменить на 564ТМ2 или их импортные аналоги. Детектор понижения напряжения (DA1) следует выбирать с пороговым напряжением, заведомо меньшим минимального напряжения питания датчика. Например, при питании напряжением 5 В подойдут детекторы КР1171СП42, КР1171СП47, при 9 В — также КР1171СП53, КР1171СП64, КР1171СП73.

Электронный блок датчика собран на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж печатных проводников и расположения деталей показан на рис. 2. Чувствительный элемент (пластины Е1 и Е2) рекомендуется оформить в виде "развернутого" конденсатора [2], соединив его с электронным блоком проводами длиной не более 50 мм.

Налаживание датчика сводится к установке порога резисторами R4 и R5. Срабатывание можно контролировать с помощью цепи из светодиода (анодом к контакту 2 разъема Х1) и резистора номиналом 2,2...4,7 кОм (между катодом светодиода и контактом 3 разъема). Включив питание, вращением движка подстроечного резистора R4 добейтесь зажигания светодиода, а затем поворотом движка немного вправо (по схеме) — его погасания. О правильной регулировке будет свидетельствовать включение светодиода при приближении к чувствительному элементу какого-либо предмета. Если светодиод не горит даже в крайнем левом положении движка резистора R4, следует установить вместо R5 перемычку и повторить настройку.

Устройство можно использовать как датчик прикосновения человека к пластине Е2, причем ее роль может выполнять любой металлический предмет, например, дверная ручка. В этом случае от пластины Е1 можно вообще отказаться, а резисторы R4 и R5 заменить одним резистором номиналом 330 кОм.

Один из вариантов датчика, изготовленный автором, имел чувствительный элемент в виде плоского конденсатора с площадью обкладок 100 см² и расстоянием между ними 5 мм. Он уверенно срабатывал при заполнении пространства между обкладками машинным маслом на 70 % в интервале температуры -30. ..+85 °С. Срабатывания, вызванные конденсацией воды, приближением рук и другими мешающими факторами, не зафиксированы.

При подобном использовании и применении в качестве чувствительного элемента плоского или цилиндрического конденсатора рекомендуется предварительно оценить требуемое значение введенного сопротивления подстроечного резистора R4 по формуле

где С_np— емкость соединительных проводов; С_к — емкость чувствительного элемента, вычисляемая по известным формулам емкости плоского или цилиндрического конденсатора.

Если вычисленное значение получилось отрицательным, следует исключить из схемы резистор R5, а если больше 200 кОм, — увеличить номинал R5 таким образом, чтобы сопротивление R4_BB лежало в пределах 100... 150 кОм. Окончательно датчик регулируют описанным выше образом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нечаев И. Емкостное реле. — Радио, 1988, ╧ 1,с. 33.
2. Москвин А. Бесконтактные емкостные датчики. — Радио, 2002, ╧ 10, с. 38, 39.
3. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200403/p41-42.html