Energooszczędny włącznik dotykowy

Włącznik umieszczony na obudowie urządzenia może niekiedy psuć jego walory estetyczne, lecz na pewno wpływa ujemnie na wodoszczelność, pyłoszczelność oraz wytrzymałość mechaniczną całej konstrukcji. Przecież to dodatkowy otwór, który trzeba uszczelnić, a sam wyłącznik odpowiednio odizolować. A gdyby z niego zrezygnować, a jednocześnie zachować jego funkcjonalność?

W tej sytuacji może przydać się zaprezentowany układ. Jeśli obudowa nie jest metalowa, to wystarczy, że po jej wewnętrznej stronie, w miejscu przeznaczonym na potencjalny przycisk, zostanie naklejona antena wykonana z przewodu lub metalowej płytki. Dotknięcie tego obszaru palcem lub ręką zostanie wykryte przez układ. Ciągłość powierzchni obudowy nie zostanie naruszona, urządzenie może być nawet szczelnie zalane lepiszczem. Jeżeli jakiś detal na powierzchni obudowy byłby metalowy, również może z powodzeniem służyć za wspomnianą antenę.

Zadaniem układu jest załączenie swojego wyjścia na zadany wcześniej czas po wykryciu dotknięcia. Jeżeli dotyk będzie trwał dłużej, impuls wyjściowy zostanie odpowiednio wydłużony.

Budowa i działanie

Schemat ideowy energooszczędnego włącznika dotykowego znajduje się na rysunku 1. Wejściem układu jest metalowa antena, którą podłącza się do pola lutowniczego PAD1. Układ wykrywa zaindukowanie się w antenie napięcia po dotknięciu jej ręką lub nawet zbliżeniu na niewielki dystans. To napięcie pochodzi z naszego ciała, a dokładniej – z fal elektromagnetycznych, którymi jesteśmy z każdej strony otoczeni, a dla których stanowimy antenę odbiorczą. Najsilniejsza składowa pochodzi od sieci energetycznej, której częstotliwość pracy to 50 Hz lub 60 Hz. Właśnie z myślą o niej został zaprojektowany ten układ.

Rysunek 1. Schemat ideowy energooszczędnego włącznika dotykowego

Odpowiednio wysoka amplituda napięcia pochodzącego z anteny jest w stanie przełączyć bramkę US1A. Rezystory R2 i R3 polaryzują jej wejścia potencjałem zbliżonym do połowy napięcia zasilającego, aby była potrzebna mniejsza amplituda sygnału. Wejścia opatrzone przerzutnikami Schmitta doskonale radzą sobie w takich warunkach.

Pomyślano również o kilku prostych zabezpieczeniach. Rezystor R1 ogranicza prąd diod zabezpieczających wejścia tej bramki w razie podania napięcia o zbyt wysokiej amplitudzie. Kondensator C1 odcina składową stałą, która jest w stanie zablokować działanie układu.

Mogłaby się pojawić po zawilgoceniu lub zabrudzeniu obudowy, kiedy antena zostałaby trwale spolaryzowana napięciem pochodzącym z baterii lub innego zasilacza.

Układ różniczkujący, w skład którego wchodzą kondensator C2 i rezystor R4, formuje impuls pobudzający wejście następnej bramki. Rezystor R5 ogranicza prąd diod zabezpieczających wejścia bramki US1C w momencie przełączania się wyjścia bramki US1A. Dzięki temu tranzystory sterujące wyjściem bramki US1A nie są poddawane krótkotrwałym przeciążeniom, spowodowanym nagłym otwarciem diod zabezpieczających wejścia US1C.

Podanie stanu niskiego na wejścia bramki US1C powoduje wzrost potencjału jej wyjścia, a to z kolei wprowadza tranzystor T1 w stan przewodzenia. Kondensator C3 zostaje wtedy rozładowany, a prąd płynący w tym momencie przez dren tego tranzystora zostaje ograniczony rezystorem R6.

Jeżeli napięcie na okładkach C3 stało się odpowiednio niskie, bramka US1D zmienia stan wyjścia na wysoki i załącza tranzystor T2, obsługujący wyjście układu. Przerzutnik Schmitta, którym opatrzone jest wejście bramki, daje gwarancję, że ten tranzystor będzie wyłącznie w pełni otwarty lub zatkany, bez długotrwałych stanów przejściowych.

Po ustaniu impulsów rozładowujących C3, ten zaczyna powoli ładować się poprzez połączone szeregowo rezystancje: R7 i P1. Kiedy napięcie wzrośnie na nim w dostatecznie wysokim stopniu, bramka US1D przełącza się, a T2 zostaje zatkany. Dioda D1 zabezpiecza jego strukturę przed uszkodzeniem w tym momencie, gdyby sterował on obciążeniem mającym charakter indukcyjny: elektromagnesem lub silniczkiem prądu stałego.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 40×20 mm. Jej schemat został pokazany na rysunku 2. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Montaż proponuję rozpocząć od elementów lutowanych powierzchniowo, które znajdują się tylko na wierzchniej stronie płytki. Po ich przylutowaniu można przejść do potencjometru P1 i złącza J1, które są montowane techniką przewlekaną (THT). Na sam koniec polecam zostawić przylutowanie anteny do pola lutowniczego PAD1.

Prawidłowo zmontowany układ jest gotowy do działania. Wymaga zasilania napięciem stałym, dobrze odfiltrowanym, niekoniecznie stabilizowanym, o wartości z przedziału 3…9 V. Średni pobór prądu wynosi poniżej 5 μA przy zasilaniu napięciem 3 V. Zakładając, że baterie AA mają pojemność 2500 mAh, pozwoli to na, teoretycznie, ponad 50 lat pracy. To znacznie przekracza termin ważności jakichkolwiek ogniw dostępnych na rynku. Przy napięciu 9 V prąd pobierany przez układ wynosi około 0,15 mA.

Jedyną czynnością, jaką należy wykonać podczas uruchamiania układu, jest ustalenie czasu załączenia wyjścia za pomocą potencjometru P1. Przekręcając go w prawą stronę (ślizgacz przesuwa się w stronę napisu MIN), czas ten skracanym. Minimalna wartość tego czasu to ok. 0,84 s, a maksymalna około 8,2 s – zmierzono podczas zasilania układu napięciem o wartości 3 V. Inne napięcie zasilania może wiązać się z nieco innymi wartościami tychże.

Wyjściem układu jest dren tranzystora typu MOSFET z kanałem N. Zwiera on środkowe wyprowadzenie złącza J1 z masą na zadany czas. Jego napięcie progowe wynosi nie więcej niż 1,2 V, zatem po przyłożeniu napięcia bramka-źródło o wartości 3 V (lub więcej) można go uznać za całkowicie otwarty. Zważywszy na szerokość ścieżek na płytce, zalecam, aby przez to wyjście płynął prąd o natężeniu nie większym niż 2 A.

Tranzystor obsługujący wyjście został zabezpieczony przy użyciu diody D1, mający na celu zwieranie impulsów generowanych przez obciążenia indukcyjne, które powstają w momencie ich odłączania. Jeżeli dane obciążenie miałoby być zasilane z napięcia wyższego niż to, które zasila układ, należy wymontować diodę D1 i zamontować drugą diodę zabezpieczającą, antyrównolegle do zacisków tego obciążenia. Maksymalne napięcie dren-źródło tranzystora IRLML2502 wynosi 20 V, co należy traktować jako maksymalne napięcie zasilające podłączone obciążenie.

W przeciwnym razie, gdyby diodę D1 pozostawić, uległaby ona otwarciu dzięki spolaryzowaniu jej anody potencjałem wyższym niż katody. Układ mógłby ulec zniszczeniu przez podniesienie jego napięcia zasilającego.

Maksymalną wartość napięcia zasilającego na poziomie 9 V ustalono na podstawie dokumentacji użytych w projekcie tranzystorów. Nieprzekraczalną wartością jest 12 V, ponieważ tyle wynosi maksymalne napięcie bramka-źródło użytych w projekcie tranzystorów MOSFET. Dlatego przyjęcie górnej granicy na poziomie 9 V daje optymalny margines bezpieczeństwa.

Antena, której układ używa do „obserwacji” swojego otoczenia, powinna być wykonana z materiału przewodzącego. Najlepiej, aby użytkownik mógł dotknąć jej powierzchni bezpośrednio swoim ciałem, lecz testy wykazały, że izolacja z tworzywa sztucznego o grubości kilku milimetrów również nie wpływa negatywnie na działanie układu. Można w tej sytuacji posłużyć się odcinkiem przewodu lub kawałkiem metalu, które byłyby naklejone od wewnętrznej strony obudowy. Jej długość lub, odpowiednio, powierzchnia powinny być możliwie jak największe, zwłaszcza jeżeli w grę wchodzi oddziaływanie czysto pojemnościowe, poprzez dielektryczną obudowę.

Michał Kurzela, EP