Для некоторых электротехнических устройств имеется необходимость в сенсорном включении, то есть начало или конец работы должно происходить при простом касании пальца руки к сенсорному контакту. Применить это можно в схемах электронных замков, сигнализаций, обычной техники, что упрощает её включение и выключение (всего лишь нужно прикоснуться).

В этой статье предлагаю достаточно простую электронную схему сенсорного включателя, которую может собрать практически любой человек. Состоит эта схема всего из нескольких электронных компонентов, главными из которых являются биполярные транзисторы, выполняющие роль усилителей сигнала. Ко входу (базе) первого транзистора подсоединяется сам провод сенсора (к которому нужно прикасаться). С выхода транзистора выходит усиленный в сотни раз сигнал, что подаётся на следующий элемент. Второй транзистор усиливает ещё больше уже до этого усиленный сигнал, ну и то же самое делает третий каскад схемы. В итоге мы из крайне малого сигнала, идущего от сенсора, получаем ток, что может зажечь светодиод (либо включить реле, что будет управлять тем или иным устройством).

Напомню, что биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий три вывода (эмиттер, коллектор и база). Он способен усиливать электрический сигнал в 10-1000 раз. При подаче на управляющий вывод небольшого сигнала (где-то от 0,6 до 0,7 вольт) на выходе мы можем получить уже электрический ток и/или напряжение гораздо большей величины.

База является управляющим электродом, относительно эмиттера. То есть, от источника питания подается на базу (через ограничивающий резистор, создающий некое смещение) и коллектор определенная величина напряжения. При напряжении между базой и эмиттером до 0,6 вольт транзистор ещё будет закрыт (не будет пропускать через себя ток относительно эмиттера и коллектора). Повышая напряжение между базой и эмиттером уже от 0,6 и где-то до 0,7 вольт мы постепенно открывает транзистор от полностью закрытого состояния в полностью открытое. Следовательно, транзистор выполняет роль переменного резистора, который управляется небольшими токами и может изменять своё сопротивления от бесконечно большого до практически нулевого (всё же оно есть, хоть и весьма малое).

Резисторы в схеме простого сенсорного включателя, стоящие в цепи коллекторов, выполняют роль ограничителей тока. Их номиналы 1 мегаом, 1 килоом и 220 ом. Можно ставить маленькой мощности, небольшие по размеру (токи в схеме достаточно малые). В данной электрической схеме применены биполярные транзисторы типа КТ315 (подойдут с любым буквенным индексом). Эти транзисторы старотипные, найти их можно где угодно, и стоят они копейки (если их покупать). Заменить их можно на КТ3102 или любые другие, с похожими характеристиками. Эти транзисторы имеют проводимость n-p-n (новичкам стоит это учесть). Можно поставить в схему транзисторы и обратной проводимости (p-n-p) серии КТ361 или КТ3107, но тогда нужно будет поменять полярность на питании (на плюс подключать минус и наоборот).

Хочу заметить, что данная электрическая схема сенсора является не фиксированной, то есть выходное устройство будет срабатывать и работать только тогда, когда вы касаетесь входного сенсора. Как только вы перестанете касаться сенсора, то и выходное устройство также выключится.

Изначально в схему простого сенсорного включателя я поставил на выход обычный светодиод, который просто зажигался при касании сенсора. Если вместо светодиода поставить небольшое реле, то можно уже на выходе схемы иметь переключатель, что можно подключить к различным электрическим устройствам (звонку, лампочки, двигателю и т.д.). Параллельно катушки реле нужно будет припаять электролитический конденсатор небольшой ёмкости (где-то от 100 до 1000 микрофарад, и напряжением не менее чем у источника питания). А также подключить диод (обратное включение), что позволит исключить влияние на саму схему напряжения самоиндукции, возникающей на катушки реле. Диод подойдет любой!

P.S. Учтите, что светодиод имеет полярность! Если вы поставите его неправильно, то светиться он не будет. В случае использования реле учитывайте выходной ток транзистора. То есть, КТ315 может иметь на своём выходе силу тока не более 100 миллиампер. Следовательно, если поставить большую релюшку, у которой катушка потребляет большие токи, то транзистор может выйти из строя. Нужно ставить реле с соответствующим током на катушке или ставить более мощный биполярный транзистор на выходе схемы.

Электор 2008 №7-8

Работа ёмкостных датчиков прикосновения основана на электрической ёмкости человеческого тела. Например, когда близко к датчику подносят палец, то это создаёт ёмкость между датчиком и землёй, лежащую в диапазоне 30...100 пФ. Этот эффект может быть использован в датчиках приближения и переключателях, управляемых прикосновением.

Сенсорные ёмкостные датчики имеют очевидные преимущества по сравнению с другими датчиками (например, срабатывающими от наводок частотой 50/60 Гц или измеряющими сопротивление), но они более трудоёмки в реализации. Производители микросхем, такие как Microchip в прошлом создали специальные ИС для этих целей. Однако и сейчас можно создать надёжный ёмкостный детектор и/или переключатель, используя только небольшое число стандартных компонентов.

В этой схеме мы детектируем изменения ширины импульсов сигнала, возникающие при касании контакта. На рисунке 1 можно рассмотреть следующие узлы (слева направо):

Рис. 1. IC1 - 561ТЛ1

Генератор прямоугольных импульсов, выполненный на триггере Шмитта (ИС CD4093);
RC цепь с гасящим диодом, за которыми идёт триггер Шмитта/контактная пластина с изолирующим конденсатором ёмкостью 470 пФ;
- Интегрирующая RC цепь, преобразующая изменения ширины импульсов в напряжение. Это напряжение лежит в районе 2,9...3,2 вольт, когда до пластины дотрагиваются, и 2,6 вольт в другом случае.
- Компаратор LM 339 используется для сравнения напряжения в точке C с образцовым напряжением в точке D. Последнее составляет около 2,8 В и устанавливается делителем напряжения.

Как только произойдёт касание сенсорной пластины, выход схемы станет активным. Для пояснения работы схемы на рисунке 2 приведены осциллограммы сигналов в разных точках. Пунктирная линия показывает состояние при касании пластины датчика, сплошная линия - при отсутствии касания.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов а разных точках.

Образцовое напряжение в точке D настраивается один раз с помощью делителя R4/R5 (изменяя значение R4). Величина этого напряжения сильно зависит от площади поверхности пластины-датчика (обычно несколько квадратных сантиметров). Большая площадь поверхности пластины увеличивает ёмкость и напряжение в точке C тем не менее будет больше, по сравнению с тем напряжением, когда пластины не касались. Образцовое напряжение в точке D должно быть установлено ближе к значению 3,4 В. Датчик прикосновения может так же работать с пластинами большой площади (например, можно использовать в качестве сенсора весь корпус).

Выходной сигнал может быть использован для включения различных нагрузок. Во многих случаях рекомендуется добавить на выход один триггер Шмитта, особенно если выход соединён с цифровым входом.

Вим Абуйс

Рис. 4. Расположение компонентов на печатной плате.

Рис. 5. Печатная плата.

Рис. 6. Печатная плата (зеркальный вид).

А. В. Скурятин, г. Москва

Датчик прикосновения был создан в ходе экспериментального изучения качер-процесса в биполярном транзисторе, описанного В. И. Бровиным .

Предлагаемая для повторения схема представляет собой усилитель, обладающий высокой чувствительностью к электромагнитному полю, создаваемому внешними устройствами. При подключении входного контакта схемы к антенне светодиод сигнализирует о наличии излучения электромагнитного поля и наводок от электрооборудования. Светодиод также будет индицировать факт прикосновения к контакту, так как роль антенны в данном случае выполняет тело человека. Отсюда и название - датчик прикосновения. Другое название схемы - активная антенна .

Принципиальная схема датчика прикосновения показана на Рисунке 1.

Схема напоминает автогенератор на транзисторе n-p-n структуры. Один из выводов обмотки L1 подключается непосредственно к входному контакту X1. Полярность включения светодиода VD1 не имеет значения. Резистор R2 ограничивает ток через светодиод и, тем самым, определяет яркость его свечения при срабатывании датчика.

Датчик прикосновения собран на макетной плате размером 40 × 40 мм. Внешний вид конструкции показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Внешний вид датчика прикосновения.

Обмотки L1 и L2 расположены на общем каркасе с двумя секциями для намотки и подстроечным ферритовым сердечником. Наружный диаметр каркаса - 10 мм, длина сердечника - 23 мм, диаметр резьбы у основания сердечника - 6 мм. В конструкции, показанной на Рисунке 2, L1 намотана на верхней секции, L2 - на нижней. Каждая катушка содержит 100 витков провода ПЭЛ 0,2. Обмотки включены согласно. При помощи отвертки сердечник ввинчивается внутрь каркаса. Светодиод VD1 - любой из серии АЛ307 . В качестве Х1 использован лепесток заземления. Прикосновение к нему вызывает зажигание светодиода.

Параллельно VD1 можно подключить измерительный прибор, к примеру, мультиметр в режиме измерения напряжения, что позволит оценивать уровень напряженности поля. В этом случае внешняя антенна может представлять собой отрезок монтажного провода длиной несколько сантиметров. Настройка схемы будет сводиться к выбору длины антенны и поиску такого положения сердечника, при котором напряжение на светодиоде максимально.

Схема не привередлива к выбору элементной базы. К примеру, в первоначальном варианте схемы применялся транзистор КТ815Г , сопротивление резистора R1 составляло 100 кОм. В качестве L1 и L2 использовались две катушки на стержневом ферритовом сердечнике длинноволновой магнитной антенны из радиоприемника. Катушки можно было двигать вдоль сердечника. При перемещении катушек наблюдались явления, не противоречащие закону электромагнитной индукции, в отличие от схемы, предложенной в . При значительном удалении катушек друг от друга и без ферритового сердечника схема работать переставала.

Практическое применение схема может найти не только при конструировании измерителей напряженности поля, но и в устройствах автоматики и сигнализации. Датчик прикосновения можно подключить к микроконтроллеру. Для этого следует выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения на светодиоде VD1, возможно, с помощью ресурсов самого микроконтроллера, если он содержит встроенный АЦП.

В заключение необходимо отметить, что существует немало схем датчиков прикосновения, основанных на полевых транзисторах и не содержащих индуктивных элементов. Возможно, их работа во многих случаях более эффективна, но конструкция, приведенная в этой статье, является примером оригинального технического решения и ориентирована на начинающих радиолюбителей.

Литература

1. Бровин В. И. Явление передачи энергии индуктивностей через магнитные моменты вещества, находящегося в окружающем пространстве, и его применение. - М.: МетаСинтез, 2003 - 20 с.
2. Крылов К. С., Ли Жаехо, Ким Янг Жин, Ким Сеунгхван, Ли Санг-Ха. Патент на изобретение №2395876. Активная магнитная антенна с ферритовым сердечником.

Датчик прикосновения TTP223B (Сенсорная кнопка) используется для коммутации электрических цепей (включатель/выключатель), является отличной заменой традиционным механическим кнопкам (ключам). Отличается повышенной надежностью по причине отсутствия движущихся частей и низким энергопотреблением.

Для использования сенсорной кнопки TTP223B необходимо подключить питание и Arduino контроллер, либо другое микропроцессорное управляющее устройство. На плате находится светодиод, обозначенный "D", который загорается, когда на модуль подается питание. На плате модуля предусмотрено четыре отверстия для закрепления на плоской поверхности.
Сенсорная площадка работает по емкостной технологии. Срабатывание модуля на коммутацию происходит от прикосновения пальцем к сенсорному датчику. В состоянии покоя - на выходе модуля низкий уровень напряжения, при касании сенсора - появляется высокий уровень напряжения. После 12 секунд бездействия модуль переходит в режим пониженного энергопотребления.
Датчик прикосновения TTP223B имеет один 3-х контактный разъем.

Обозначение контактов

SIG (выходной цифровой сигнал);
VCC (напряжение питания);
GND (общий контакт).
Питание модуля осуществляется либо от Arduino, а также другого микропроцессорного управляющего устройства, либо от внешнего источника питания (блока питания). Напряжение питания модуля 2 – 5,5 В.

Характеристики

модуль собран на микросхеме TTP223B;
сенсор работает по емкостной технологии;
светодиодная индикация питания;
напряжение питания модуля: 2 – 5,5 В;
чувствительность: 0 – 50 пФ;
время отклика (режим пониженного энергопотребления): 220 мс;
время отклика (активный режим): 60 мс;
размеры (Д х Ш х В): 24 х 24 7,5 мм;
вес: 3 г.

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения . Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор , и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса - скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.