Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами предупреждения, которые оповещают или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного «гостя» с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, на мой взгляд, интересны, но слишком сложные.
В противовес им предлагается простая бесконтактного емкостного датчика (Рис. 4.11), собрать которую в силах начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные достоинства, одно из которых (высокая чувствительность по входу) используется для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (например, человека) к сенсору Е1.
Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь - металлическая. Громкость сигнала 34, излучаемого капсюлем ΗΑ1, достаточна, чтобы услышать его на закрытой лоджии, и сопоставима с громкостью квартирного звонка.
Источник питания - стабилизированный, напряжением 9…15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько мкА) и увеличивается до 22…28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестранс- форматорный источник применять нельзя из-за возможности поражения электрическим током.
Все это следует учитывать при изготовлении узла. Однако при правильном подключении можно создать важную и стабильную часть охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилища и предупреждающей хозяев о нештатной ситуации еще до ее возникновения. Готовое устройство показано на Рис. 4.12.
Рис. 4.12. Устройство с автомобильной антенной в виде емкостного датчика
Возможно, при других вариантах сенсоров и антенн узел проявит себя в ином качестве. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и напряжением питания узла, не исключено, что потребуется скорректировать НА1. Может быть заменен аналогичным капсюлем со встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например: FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.
Благодаря применению капсюля со встроенным генератором проявляется интересный эффект: при приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека на расстояние около 1,5 м от Е1) капсюль издает стабильный прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.
Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и стабильный прерывистый сигнал при максимальном приближении.
Относительным недостатком устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой», так как узел сигнализирует о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры. Основа работы узла - электрические наводки и изменение емкости. Такой узел эффективно работает только в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций.
Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле - везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.
Экспериментируя с данным узлом и микросхемой (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.
Элементы сборки
Монтаж элементов выполняется на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства может быть из любого диэлектрического материала.
Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, который подключается параллельно источнику питания.
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, на мой взгляд, интересны, но усложнены. В противовес им простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (рис.1), собрать которую в силах даже начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные возможности, одну из которых - высокую чувствительность по входу - используют для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (к примеру, человека) к сенсору Е1.
В основе схемы - два элемента микросхемы К561ТЛ1 включенных как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггера Шмитта с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией по выходу. Функциональное обозначение - петля гистерезиса показывает
Рис. 1. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика в таких элементах внутри их обозначения. Применение К561ТЛ1 в данной схеме оправдано тем, что она (и К561 серия микросхем, в частности) имеет очень малые рабочие токи, высокую помехозащищенность (до 45% от уровня напряжения питания), работает в широком диапазоне питающего напряжения (от 3 до 15 В), имеет защищенность по входу от потенциала статического электричества и кратковременного превышения входных уровней и многие другие преимущества, которые позволяют широко использовать ее в радиолюбительских конструкциях, не требуя каких-либо особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, К561ТЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала кратно увеличивается. Триггеры Шмита - это, как правило, бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с примесью помех, при этом обеспечивающие по выходу крутые фронты импульсов, которые можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами.
Микросхема К561ТЛ1 (как, впрочем, и К561ТЛ2) может выделять Управляющий сигнал (в том числе цифровой) для других устройств с нечеткого входного импульса. Зарубежный аналог К561ТЛ1 - CD4093B.
Предельное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 - высокий уровень, на выходе DD1.2 - опять низкий. Транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НА1 (с внутренним генератором 3Ч) неактивен.
К сенсору Е1 подключена антенна - в ее качестве используют автомобильную телескопическую антенну. 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 наводка переменного напряжения - прикосновение человека.
Электрическую схему (рис.1) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного узла. 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 34 - подходят все типы) длиной 1-1,5 м, экран соединяется с общим проводом. Центральный (неэкранированный) провод на конце соединяется со штырем антенны.
При соблюдении указанных рекомендаций, 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. Триггерного эффекта нет. При отходе человека от антенны звук в капсюле НА1 прекращается.
Эксперимент проводился также с животными - кошкой и собакой: на их приближение к сенсору - антенне - узел не реагирует.Принцип действия в данном устройстве основан на изменении емкости сенсора-антенны Е1 между ней и «землей» (общим проводом, всем тем, что относится к заземляющему контуру, - в данном случае это пол и стены помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы К561ТЛ1.
Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь - металлическая.
Громкость сигнала 34, 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. Так, 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 оказывается тем же.
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 узла. Однако при правильном подключении, описанном здесь, получается важная и стабильная часть 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. 
Рис. 2. Фото готового устройства с автомобильной антенной в виде емкостного датчика
Налаживание при точном соблюдении рекомендаций не требуется. Возможно, при других вариантах сенсоров и антенн узел проявит себя в ином качестве. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и изменением напряжения питания узла, возможно, потребуется скорректировать сопротивление резистора R1 в широких пределах от 0,1 до 100 МОм. Для уменьшения чувствительности узла увеличивают емкость конденсатора С1. Если это не приносит результатов, параллельно С1 включают постоянный резистор сопротивлением 5-10 МОм.
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 слабо. 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 со встроенным генератором узел проявляет интересный эффект - при близком приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или дальнем приближении человека на расстоянии более 1,5 м) капсюль издает стабильный по характеру, прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.
Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и прерывистый сигнал стабильного характера при максимальном приближении.
Некоторым минусом устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой» - так, узел будет сигнализировать о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры.
Основа работы узла - электрические наводки и изменение емкости максимально полезны при эксплуатации в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций. Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле и везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.
Экспериментируя с данным узлом и микросхемой К561ТЛ1 (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.
Приложение напряжения переменного тока к смежным проводникам способствует дистанционному накапливанию на них положительных и отрицательных зарядов. Они создают вариативное электромагнитное поле, чувствительное ко многим внешним факторам, в первую очередь, к расстоянию между проводниками. Это свойство может использоваться для создания соответствующих емкостных датчиков, которые в состоянии управлять работой различных систем контроля и слежения.
Приложения напряжения разного знака, согласно закону Ампера, вызывает перемещение проводников, на которых находятся электрические частицы. При этом возникает переменный ток, который может быть обнаружен. Величина протекающего тока определяется емкостью, которая, в свою очередь, зависит от площади проводников и расстояния между ними. Более крупные и более близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и более отдаленные.
Емкость определяется следующими параметрами:
- Характером не проводящей ток среды-диэлектрика, располагающейся между проводниками.
- Размерами проводников.
- Силой тока.
Пара таких поверхностей образует обкладки простейшего конденсатора, емкость которого прямо пропорциональна площади и диэлектрической проницаемости рабочей среды, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. При постоянстве размеров обкладок и состава рабочей среды между ними любое изменение емкости будет являться результатом изменения расстояния между двумя объектами: зондом (датчиком) и отслеживаемой целью. Достаточно только преобразовать изменения емкости в значения сфокусированного электрического напряжения, которое будет управлять дальнейшими действиями прибора. Данные устройства, таким образом, предназначены для определения изменяющегося расстояния между объектами, а также для уточнения характера и качества поверхности измеряемых изделий.
Принцип работы емкостного датчика
Конструктивно такой прибор включает в себя:
- Источник формирования эталонного напряжения.
- Первичную цепь – зонд, поверхность и размеры которого определяются целями измерений.
- Вторичную цепь, формирующую необходимый электрический сигнал.
- Защитную цепь, обеспечивающую стабильность показаний датчика независимо от внешних возмущающих факторов.
- Электронный усилитель, драйвер которого формирует сильный управляющий сигнал на исполнительные элементы, и обеспечивает точность срабатывания.
Емкостные датчики подразделяются на одно- и многоканальные. В последнем случае устройство может включать в себя несколько вышеописанных схем с разной формой зондов.
Драйвер электроники может быть настроен как ведущий или ведомый. В первом варианте он обеспечивает синхронизацию управляющих сигналов, поэтому используется преимущественно в многоканальных системах. Все приборы являются сенсорными, реагирующими исключительно на бесконтактные параметры.
Основными характеристиками рассматриваемых устройств считаются:
- Размеры и характер цели – объекта зондирования. В частности, создаваемое ею электрическое поле должно иметь форму конуса, для которого габаритные размеры должны минимум на 30% превышать соответствующие размеры первичной цепи;
- Диапазон измерений. Максимальный зазор, при котором показания устройства дают требуемую точность, составляют около 40% от полезной площади первичной цепи;
- Точность измерений. Калибровка показаний обычно уменьшает диапазон, но повышает точность. Поэтому, чем меньше датчик по размерам, тем ближе он должен быть установлен к контролируемому объекту.
Характеристики датчиков не зависят от материала объекта, а также его толщины
Как конденсатор превращается в датчик
В данном случае причина и следствие меняются местами. Когда на проводник подается напряжение, электрическое поле образуется у каждой поверхности. В емкостном датчике измерительное напряжение подается на чувствительную зону зонда, причём для точных измерений электрическое поле от зондируемой области должно содержаться именно в пространстве между зондом и целью.
В отличие от обычного конденсатора, при работе емкостных датчиков электрическое поле может распространяться на другие предметы (или на отдельные их области). Результатом станет то, что система будет распознавать такое составное поле как несколько целей. Чтобы этого не произошло, задняя и боковые стороны чувствительной области окружают другим проводником, который поддерживается под тем же напряжением, что и сама чувствительная область.
При подаче эталонного напряжения питания, отдельная цепь подает точно такое же напряжение на защиту датчика. При отсутствии разницы в значениях напряжений между зоной чувствительности и защитной зоной, электрическое поле между ними отсутствует. Таким образом, исходный сигнал может исходить только от незащищенного фронта первичной цепи.
В отличие от конденсатора, на действие емкостного датчика будет влиять плотность материала объекта, поскольку при этом нарушается однородность создаваемого электрического поля.
Проблемы измерения
Для объектов сложной конфигурации достижение требующейся точности возможно при соблюдении ряда условий. Например, при многоканальном зондировании напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу: один датчик попытается увеличить электрическое поле, в то время как другой будет стремиться уменьшить его, тем самым давая ложные показания. Поэтому существенным ограничивающим условием является требование, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик на предприятии-изготовителе. Если оценивать сигнал по изменению расстояния между зондом и целью, то все остальные параметры должны иметь постоянные значения.
Указанные сложности преодолеваются с помощью следующих приёмов:
- Оптимизации размеров измеряемого объекта: чем меньше цель, тем больше вероятность распространения чувствительности поля по сторонам, в результате чего ошибка измерения увеличивается.
- Проведения калибровки только по мишени с плоскими размерами.
- Снижением скорости сканирования цели, в результате чего изменение характера поверхности не будет сказываться на итоговых показаниях.
- Во время калибровки зонд должен располагаться эквидистантно поверхности цели (параллельно – для плоских поверхностей); это важно для датчиков повышенной чувствительности.
- Состояние внешней среды: большинство емкостных датчиков сенсорного типа устойчиво работают в температурном диапазоне 22…35 0 С: в этом случае погрешности минимал
ьны, и не превышают 0,5 % от полной измерительной шкалы.
Тем не менее, есть проблемы, которые устранить невозможно. К их числу относится фактор теплового расширения/сужения материала, как датчика, так и контролируемого объекта. Второй фактор – электрический шум датчика, который вызывается дрейфом напряжения драйвера устройства.
Блок-диаграмма работы
Не являясь прямонаправленным, емкостной датчик измеряет некоторую емкость от объектов, которые постоянно присутствуют в окружающей среде. Поэтому неизвестные объекты обнаруживаются им как увеличение этой фоновой емкости. Она значительно больше, чем емкость объекта, и постоянно изменяется по величине. Поэтому рассматриваемые устройства используются для обнаружения изменений в окружающей среде, а не для обнаружения абсолютного присутствия или отсутствия неизвестного объекта.
При приближении цели к зонду величина электрического заряда или емкости изменяется, что и фиксируется электронной частью датчика. Результат может выводиться на экран или сенсорную панель.
Для производства измерения прибор подключается к печатной плате с сенсорным контроллером. Сенсоры оснащаются управляющими кнопками. Которыми можно включать в работу несколько зондов одновременно.
Сенсорные экраны используют датчики с электродами, расположенными в ряды и столбцы. Они находятся либо на противоположных сторонах основной панели, либо на отдельных панелях, которые разделены между собой диэлектрическими элементами. Контроллер циклически переключается между различными зондами, чтобы сначала определить, к какой строке касаются (направление Y), а затем к какому столбцу (направление X). Зонды часто изготавливаются из прозрачного пластика, что повышает информативность результата измерения.
Использование LC-фильтров
Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровое значение, пригодное для дальнейшей обработки. При этом периодически измеряется выходной сигнал датчика и генерируется сигнал возбуждения для зарядки пластины датчика. Частота дискретизации на выходе датчика относительно низкая — менее 500 выборок в секунду, но разрешение аналого-цифрового преобразования необходимо для захвата небольших различий в емкости.
В емкостном измерительном устройстве ступенчатая форма волны возбуждения заряжает электрод датчика. Впоследствии заряд передается в цепь и измеряется аналого-цифровым преобразователем.
Одной из проблем емкостного зондирования (как уже указывалось) является наличие постороннего шума. Эффективным способом повышения помехоустойчивости является модификация датчика путем подключения чувствительного к частоте компонента. В дополнение к элементу переменного конденсатора к датчику добавляются дополнительный конденсатор и индуктор для формирования резонансного контура. Узкополосный отклик позволяет ему подавлять электрический шум. При простоте LC- контура, его наличие обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ. Во-первых, благодаря присущим узкополосным характеристикам LC-резонатор обеспечивает отличную невосприимчивость к электромагнитным помехам. Во-вторых, если известен диапазон частот, где существует шум, то смещение рабочей частоты датчика может отфильтровать эти источники шума без использования внешних схем.
LC-фильтры чаще применяют в многоканальных датчиках
Сферы применения
Данные устройства используются в следующих целях:
- Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
- В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
- Как компонент охранных устройств автомобилей.
- Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
- С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
- При установке систем автоматического включения/выключения светильников.
Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.
Схемы для изготовления своими руками
Для организации сенсорного управления емкостной датчик легко создать на основе, конденсатора и пары резисторов. При касании к проводам, происходит накапливание электрического заряда, регулируя величину которого, можно изменять время зарядки/разрядки. Такую схему можно применить для управления настольной лампой или иным светильником. В схеме должен присутствовать электронный компаратор, который будет сравнивать время зарядки конденсатора с эталонным (пороговым) значением, и выдавать соответствующий управляющий сигнал.
Электронные схемы с сенсорным контролем более интерактивны для пользователя, чем традиционные, поэтому могут эффективно применяться с целью переключения питания. Емкость конденсатора определяет уровень чувствительности: при повышении емкости чувствительность увеличивается, но для питания устройства потребуется больше мощности и меньшее время срабатывания. Для индикации можно применить обычный светодиод.
Высоковольтный емкостной датчик (далее датчик) – устройство для снятия формы вторичного напряжения системы зажигания и последующей передачи его на один из входов регистрирующего оборудования.Датчик состоит из держателя, емкостной пластины, которая гальванически соединена с сигнальным проводом, экранированного кабеля и соответствующего разъема для подключения датчика к входу регистрирующего оборудования.
Из чего следует:
1. Сигнал на выходе датчика будет тем больше чем ближе емкостная пластина к токопроводящей жиле ВВ провода.
2. Влияние электромагнитных наводок с соседних ВВ проводов будет тем меньше чем меньше размер емкостной пластины и чем меньше не экранированный участок сигнального провода.
4. Емкостная связь представляет собой дифференцирующую цепочку (ФВЧ) пропускающую высокочастотные колебания (область пробоя), и не пропускающую низкочастотные колебания (область горения), т.е. форма вторичного напряжения на выходе датчика будет искажена.
Сд – емкость между токопроводящей жилой ВВ провода и емкостной пластиной датчика
Rвх – входное сопротивление регистрирующего оборудования
Свх – входная емкость не учитывается, так как она фактически в данном случае ни на что не влияет
На графике красного цвета изображен исходный сигнал (меандр 1 КГц, скважность 10%, амплитуда 1 В)
На графике синего цвета изображен сигнал, полученный на выходе дифференцирующей цепочки
Сигнал с выхода датчика без использования компенсационной емкости
Для устранения искажения формы вторичного напряжения на выходе датчика, необходимо использовать дополнительную компенсационную емкость, которая с емкостью датчик-жила образует емкостной делитель:
Без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования, коэффициент передачи емкостного делителя определяется следующим соотношением: Kп = Сд / (Сд + Ск) . Как видно из соотношения, чем больше значение емкости Ск тем меньше будет значение напряжения на выходе емкостного делителя. Для идеального емкостного делителя без учета входного сопротивления регистрирующего оборудования Ск можно взять сколь угодно малое, при этом форма сигнала на выходе делителя в точности будет соответствовать форме сигнала на его входе.
При учете входного сопротивления соотношение для определения коэффициента передачи становится гораздо объемнее, но зависимость Kп от Ск остается той же. Входное сопротивление регистрирующего оборудования на прямую не влияет на Kп, оно определяет “степень вносимого искажения”.
При увеличении входного сопротивления искажения формы вторичного напряжения значительно уменьшаются. В большинстве случаев входное сопротивления практических все осциллографов используемых для автодиагностики находится в диапазоне 1 МОм, за исключением специализированных входов предназначенных исключительно для подключения ВВ датчиков. По этому при непосредственном подключении датчика к входу осциллографа (без специализированного адаптера) Rвх также можно принять за константу, и ограничится варьированием только Ск.
Примечание!
Подключение датчика к входу осциллографа просто через резистор 10 МОм приведет к увеличению входного сопротивления и соответственно уменьшению искажения формы вторичного напряжения, но при этом примерно в десять раз уменьшиться коэффициент передачи входного тракта канала. Для увеличения входного сопротивления без уменьшения коэффициента передачи необходимо использовать промежуточный буфер (повторитель – простейший адаптер) с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
Для текущих Сд (точно не известно) и Rвх (обычно 1 МОм) значение Ск подбирается исходя из компромисса:
1. Чем меньше Ск тем больше амплитуда напряжения на выходе емкостного делителя
2. Чем больше Ск тем меньше степень искажения формы вторичного напряжения
Практически значение Ск возможно увеличивать до тех пор, пока “амплитуда” напряжения на выходе емкостного делителя будет достаточно выделяться на фоне шума.
Местоположение подключения Ск: в начале кабеля (ближе к емкостной пластине) или в конце кабеля (ближе к входу регистрирующего оборудования) – практически не влияет на форму и амплитуду сигнала с выхода датчика.
На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной на входе осциллографа, на графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика и Ск = 3.3 нФ подключенной непосредственно возле емкостной пластины. Как видно форма сигналов практически одинакова, а амплитуда различается в пределах разброса номинала используемых емкостей +/- 20%.
Примеры осциллограмм вторичного напряжения снятого одним и тем же датчиком с емкостной пластиной в виде круга диаметром ~10 мм при разных значениях Ск, на стенде с DIS катушки 2112-3705010 (форма вторичного напряжения несколько отличается от привычной из-за разряда на открытом воздухе).
Ск = 470 пФ. Область горения значительно проседает, но амплитуда пробоя достигает 5 Вольт.
Ск = 1.8 нФ. Область горения также значительно проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 2 Вольт.
Ск = 3.3 нФ. Область горения не много проседает, амплитуда пробоя уменьшилась до 1 Вольта.
Ск = 10 нФ. Область горения практически не проседает, но и амплитуда пробоя уменьшилась до 0.4 Вольт.
Как видно при Ск = 10 нФ форма вторичного напряжения практически не искажена, а шум довольно не значительный.
Для сравнения приведены осциллограммы вторичного напряжения снятые с одного и того же ВВ провода без использования адаптера и с использованием специализированного адаптера зажигания.
На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 10 нФ) непосредственно подключенного к входу осциллографа. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с адаптера Постоловского, к которому подключен “родной” ВВ датчик Постоловского.
Как видно форма обеих сигналов практически совпадает, но с адаптера содержащего промежуточные усилители, сигнал имеет в 3 раза большую амплитуду.
Примечание!
Все адаптеры, использующие емкостные датчики искажают форму вторичного напряжения, но при высоком входном сопротивлении и достаточной Ск, вносимое искажение крайне не значительно.
В простейшем случае емкостной съемник это любой металлический предмет расположенный рядом с ВВ проводом, т.е. в роли емкостной пластины могут выступать зажим типа “крокодил”, фольга намотаня на ВВ провод, монетка и т.д.
Практически в качестве высоковольтного емкостного датчика рекомендуется использовать конструкцию, которая удовлетворяет следующим требованием:
1. Высокая степень защиты от пробоя
2. Малая подверженность электромагнитным наводкам от соседних ВВ проводов
3. Удобное конструктивное исполнение для быстрого подключения датчика к ВВ проводу
Примеры конструкции ВВ емкостных датчиков:
Жестяная пластинка 20x70 мм, выгибается, так что бы плотно прижиматься к ВВ проводу.
По сути, та же пластина только в изоляции.
ВВ датчик типа “прищепка”.
ВВ датчик аналогичный одной из конструкций Бош (поставляется по цене $7 / шт).
В качестве примера рассмотрим процесс изготовления ВВ датчика на основании выше приведенной конструкции компании Бош.
Для изготовления датчика необходимо:
1. Выше рассмотренная ручка ВВ датчика.
2. Экранированный кабель 1-3 м. Желательно использовать мягкий микрофонный кабель, так как при эксплуатации он намного удобнее жесткого коаксиального кабеля. Волновое сопротивление кабеля 50 или 75 Ом, значения не имеет, так как все исследуемые сигналы находятся в области низких частот.
3. Разъемы для подключения датчика к осциллографу или адаптеру зажигания BNC-FJ / BNCP / FC-022 Переходник гнездо F / BNC под F-ку (разъем один и тот же только у разных производителей / продавцов он по-разному называется).
BNC-M / FC-001 / RG58 / F разъем
Примечание!
При покупке F разъема и кабеля обращайте внимание на соответствие диаметра кабеля к диметру разъема для накрутки на кабель, иначе либо придется срезать часть изоляции кабеля для уменьшения его диаметра, либо наматывать ленту на кабель для увеличения его диаметра.
4.
Сальник / гермоввод / кабельный ввод PG-7 с дюймовой резьбой
5. Емкостная пластина “пятачок” диаметром 9-10 мм
“Пятачок” возможно либо вырезать из жести, либо использовать специальный пробойник (лучше всего использовать пробойник на 8 мм, после развальцовки получится “пятачок” диаметром чуть больше 9 мм):
Также в качестве “пяточка” возможно, использовать подходящие по диаметру канцелярские кнопки.
6. Компенсационная емкость – не полярный (лучше керамический) конденсатор номиналом от 2.2 нФ до 10 нФ на напряжение 50 Вольт (если использовать конденсатор на 1 КВ то в случае пробоя ВВ провода он все равно сгорит). Возможно использовать как выводные конденсаторы так и планарные в корпусе 1206 или 0805.
Порядок изготовления:
1. Удалить изоляцию с экранированного кабеля до оплетки, на участке 12-13 мм. Часть оплетки под снятой изоляцией вывернуть наружу и равномерно расположить вдоль кабеля. С сигнального провода снять изоляцию на участке 10-11 мм и залудить его.
2. Накрутить на кабель F разъем, так что бы он плотно держался на кабеле и хорошо контактировал с частью вывернутой оплетки. При этом сигнальный провод должен выступать на достаточную длину из F разъема для надежного контакта с центральным стержнем разъема BNC-FJ.
3. Накрутить разъем BNC-FJ на F разъем. После чего проверить наличие контакта (прозвонить тестером) между сигнальным проводом и центральным стержнем разъема BNC-FJ, между оплеткой кабеля и экраном разъема BNC-FJ и отсутствие контакта между сигнальным проводом и оплеткой кабеля.
4. Если есть сальник PG-7 то предварительно надеть его на кабель открутив с него гайку.
5. Удалить изоляцию и оплетку с противоположного конца кабеля, на участке 3-5 мм. С сигнального провода снять изоляцию на участке 2-3 мм. Припаять к залуженному сигнальному проводу емкостную пластину.
При необходимости припаять компенсационную емкость между сигнальным проводом и оплеткой.
6. Обмотать участок сигнального провода и припаеную компенсационную емкость изолентой, так что бы емкостная пластина не болталась и была поджата краем изоленты. После чего емкостную пластину обильно смазывать солидолом.
Солидол “улучшает” диэлектрическую проницаемость и устраняет скачки области горения.
На графике красного цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) без солидола. На графике синего цвета изображен сигнал, полученный с ВВ датчика (Ск = 3.3 нФ) с использованием солидола. Без использования солидола область горения иногда “подскакивает” на 20-30%.
7. Надеть ручку ВВ датчика так, что бы емкостная пластина упиралась в дно колпачка датчика. После чего зажать кабель либо с помощью сальника PG-7 либо закрепить изолентой (при этом с датчиком нужно обращаться крайне осторожно, что бы случайно не вырвать кабель из ручки датчика).
В результате должен получится высоковольтный емкостной датчик, который возможно непосредственно подключать к одному из аналоговых (с наличием Ск) или к логическому (без Ск) входов осциллографа.
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 , 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 .
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.
