Емкостной сенсорный выключатель для сетевых электроприборов на основе микросхемы ФАПЧ

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2013

 

M.S. Nagaraj

Electronic Design

Емкостные сенсорные выключатели набирают популярность в бытовых приборах, автомобилях и промышленных приложениях по многим причинам. Они эстетически привлекательны, гибки, просты в изготовлении и в использовании. Им не нужны кнопки, ползунки и другие элементы механических устройств коммутации. Они надежны, поскольку не имеют подвижных частей.

Кроме того, отсутствие отверстий и иных открытых конструкций снижает производственные затраты. На качество выключателей не влияют поверхностные загрязнения и влажность. Для индикации статуса переключателя в его поверхность может быть вмонтирован светодиод подсветки. И, наконец, сенсорными поверхностями могут служить медные площадки печатной платы.

В показанной на Рисунке 1 схеме в качестве сенсорных поверхностей используются две идентичные металлические пластины или медные контактные площадки двухсторонней печатной платы (SP_On и SP_Off). Сенсорные конденсаторы C_On и C_Off сформированы с помощью декоративной защитной пленки, размещенной поверх контактных площадок. Накладки изолируют пользователя от сетевого напряжения. На элементах C4, R9, Z1, D1 и C3 собран компактный и дешевый бестрансформаторный источник питания.

Рисунок 1.	Основанная на микросхеме ФАПЧ, компараторе и симисторе схема образует недорогой емкостной сенсорный выключатель, относительно мало чувствительный к изменениям температуры окружающей среды и постоянного напряжения на шине питания.

Конденсаторы служат времязадающими элементами для управляемого напряжением генератора (ГУН), входящего в состав популярной и недорогой КМОП микросхемы ФАПЧ (CD4046). Периоды времени T_On и T_Off, в течение которых выходное напряжение ГУН имеет высокий и низкий уровень, определяются емкостями сенсорных конденсаторов C_On и C_Off, соответственно. Интегратор R4C1 формирует постоянное напряжение V_dc, пропорциональное коэффициенту заполнения η выходных прямоугольных импульсов:

где

V_sq = 12 В – амплитуда прямоугольных импульсов.

Поскольку сенсорные площадки идентичны, их емкости в отсутствие прикосновений одинаковы. Соответственно, T_On = T_Off, коэффициент заполнения равен 0.5, а V_dc = 6 В. Делитель напряжения, образованный элементами R6, P1 и R7, формирует опорные напряжения V_Ref-hi и V_Ref-lo для компараторов U_2-a и U_2-b.

При касании сенсорной площадки SP_On для включения электроприбора емкость пальца пользователя добавляется к емкости C_On. Это увеличивает время T_On, коэффициент заполнения и выходное напряжение интегратора. Регулировочный потенциометр P1 должен быть установлен в такое положение, чтобы

где V_dc и V_dc-on – выходные напряжения интегратора до и после прикосновения к сенсорной площадке SP_On, соответственно.

Таким образом, при касании SP_On выходное напряжение интегратора превысит V_Ref-hi, и высокий уровень на выходе переключившегося компаратора U_2-a установит R-S триггер фазового компаратора (PC-2) микросхемы ФАПЧ.

Аналогично, при касании сенсорной площадки SP_Off для выключения электроприбора емкость пальца пользователя добавляется к емкости C_Off. Вследствие этого увеличивается время T_Off, а коэффициент заполнения и выходное напряжение интегратора, соответственно, уменьшаются.

Поскольку R6 = R7, опорное напряжение V_Ref-lo отслеживает напряжение V_Ref-hi, откуда следует

(V_Ref-hi – V_dc) = (V_dc – V_Ref-lo).

В результате, при касании SP_Off выходное напряжение интегратора падает ниже V_Ref-lo, и высокий уровень на выходе переключившегося компаратора U_2-b сбрасывает R-S триггер микросхемы ФАПЧ. Симистор T2 включает присоединенный к нему электроприбор, когда открывается высоким уровнем напряжения на выходе триггера, и выключает, когда выходное напряжение триггера становится низким.

При вариациях окружающей температуры происходит одинаковое относительное изменение емкостей C_On и C_Off и, как следствие, пропорциональное изменение T_On и T_Off. На значения коэффициента заполнения и V_dc эти вариации не влияют и, соответственно, не изменяют чувствительности сенсоров. Переключатель невосприимчив и к колебаниям напряжения питания Vdd, поскольку каждая из величин V_Ref-hi, V_Ref-lo и V_dc пропорциональна V_dd, и, следовательно, их соотношение от V_dd не зависит.

Для лучшей чувствительности к прикосновению размеры сенсорной площадки не должны быть больше поверхности касания пальца, так как емкость пальца C_f должна быть соизмерима с собственной емкостью площадки (C_un). Примите также во внимание, что уменьшение толщины защитной пленки увеличивает степень относительного изменения емкостей после прикосновения.