Схема емкостного датчика на микросхеме K561TЛ1 (CD4093B)
Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами превентивного предупреждения, которые оповещают людей или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного гостя с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, например в [48], по мнению автора, интересны, но усложнены.
В противовес им разработана простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис. 2.2), собрать которую по силам даже начинающему радиолюбителю. Устройство имеет высокую чувствительность по входу, что позволяет использовать его для предупреждения о приближении человека к сенсору Е1.
Принцип действия устройства основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и «землей» (общим проводом: всем тем, что соотносится к заземляющему контуру, — в данном случае это пол и стеніі помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы K561TЛ1.
Рис. 2.2. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика
В основе конструкции — два элемента микросхемы K561TЛ1 (DD1), включенные как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмита с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу.
Применение микросхемы K561TЛ1 обусловлено малым потреблением тока, высокой помехозащищенностью (до 45 % от уровня напряжения питания), работой в широком диапазоне питающего напряжения (в диапазоне 3—15 В), защищенностью по входу от статического электричества и кратковременного превышения входных уровней, и многими другими достоинствами, которые позволяют широко использовать микросхему в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, микросхема K561TЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала пропорционально увеличивается. Триггеры Шмита—бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех. При этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема K561TЛ (как, впрочем, и K561TЛ2) могут выделять управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств из аналогового или нечеткого входного импульса.
Зарубежный аналог К561ТЛ1 — CD4093B.
Схема включения инверторов — классическая, она описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки — в конструктивных нюансах. После включения питания на входе элемента DD1.1 присутствует неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 — высокий уровень, на выходе DD1.2 — опять низкий. Транзистор VT1 закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НАІ (с внутренним генератором 34) не активен.
К сенсору Е1 подключена антенна — подойдет автомобильная телескопическая. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. От этого переключаются элементы DD1.1, DD1.2 в противоположное состояние. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться (проходить) рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1,5 м. На выводе 4 микросхемы появляется высокий уровень напряжения, вследствие этого транзистор VT1 открывается и звучит капсюль НА1.
Подбором емкости конденсатора С1 можно изменить режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С1 до 82—120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только, пока на вход DD1.1 воздействует наводки переменного напряжения — прикосновение человека.
Электрическую схему (рис. 2.2) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного датчика. Для этого исключают постоянный резистор R1, экранированный провод, а сенсором являются контакты микросхемы 1 и 2.
Последовательно с R1 подключают экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов ЗЧ — подходят все типы) длиной 1—1,5 м, экран соединяется с общим проводом, центральная жила на конце соединяется со штырем антенны.
При соблюдении указанных рекомендаций и применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 1,5—1 м. Триггерный эффект отсутствует. Как только объект удаляется от антенны, датчик переходит в режим охраны (ожидания).
Эксперимент проводился также с животными— кошкой и собакой: на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует.
Возможности устройства трудно переоценить. В авторском варианте оно смонтировано рядом с дверной коробкой; входная дверь — металлическая.
Громкость сигнала ЗЧ, излучаемого капсюлем НА1, достаточна для того, чтобы услышать его на закрытой лоджии (она сопоставима с громкостью квартирного звонка).
Источник питания— стабилизированный, с напряжением 9—15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько микроампер) и увеличивается до 22—28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестрансформаторный источник применять нельзя из-за вероятности поражения электрическим током. Оксидный конденсатор С2 действует как дополнительный фильтр по питанию, его тип — К50-35 или аналогичный, на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.
При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Напряжение питания узла влияет на его работу: при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны используется только обыкновенный многожильный неэкранированный электрический медный провод сечением 1—2 мм длиной 1 м; никакого экрана и резистора R1 в таком случае не надо, электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект аналогичен. При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор (реагирует на прикосновение к Е1). Это актуально при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9—15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор (или сенсор-триггер).
Эти нюансы следует учитывать при повторении устройства. Однако в случае правильного подключения, описанного здесь, получается важная составляющая охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилищу, предупреждающей хозяев еще до возникновения нештатной ситуации.
Монтаж элементов осуществляется компактно на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства — любой из диэлектрического (непроводящего) материала. Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, подключенным параллельно источнику питания.
Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания, возможно потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах — от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивлением 5—10 МОм.
Рис. 2.3. Емкостной датчик
Неполярный конденсатор С1 — типа КМ6. Постоянный резистор R2— МЛТ-0,25. Резистор R1 — типа ВС-0,5, ВС-1. Транзистор VT1 необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит негромко. Транзистор VT1 можно заменить на КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.
Капсюль-излучатель НА1 может быть заменен на аналогичный с встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.
Благодаря применению капсюля с встроенным генератором узел проявляет интересный эффект: при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека, начиная с расстояния 1,5 м до Е1) — капсюль издает стабильный по характеру прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2. (Подобный эффект лег в основу первого электронного музыкального инструмента — «Терменвокса».)
Для более полного представления о свойствах емкостного датчика автор рекомендует ознакомиться с материалом [53].
Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным гене-ратбром ЗЧ, например КРІ-4332-12, то при сравнительно большом удалении человека от сенсора-антенны звук будет напоминать сирену, а при максимальном приближении — прерывистый сигнал.
Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности (системы распознавания «свой/чужой»), так узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за хлебом» хозяина квартиры. Основа работы устройства — электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций; очевидно, прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций.
Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.