Włącznik zbliżeniowy

Schemat ideowy przełącznika zbliżeniowego umieszczono na rysunku 1. Składa się ono z trzech zasadniczych bloków: generatora, filtra dolnoprzepustowego z detektorem wartości szczytowej oraz komparatora.

Rysunek 1. Schemat ideowy przełącznika zbliżeniowego

Generator wykonano z użyciem układu US1 (555). Pracuje on jako multiwibrator astabilny, o wypełnieniu sygnału wyjściowego powyżej 50%. Elementami z nim współpracującymi są rezystory R1 i R2 oraz kondensator, wykonany w postaci dwóch przewodzących prostokątów na płytce. Zbliżenie ręki do kondensatora powoduje wzrost pojemności między tymi okładkami, a w efekcie zmniejszenie częstotliwości sygnału generowanego. Nominalna częstotliwość sygnału z generatora wynosi ok. 15 kHz, zaś maksymalne jej obniżenie to ok. 2 kHz.

Sygnał prostokątny jest odbierany jest z nóżki 3 układu US1 i trafia na obwód potencjometr P1 – kondensator C4, który jest regulowanym filtrem dolnoprzepustowym. Dla niskich częstotliwości, reaktancja pojemnościowa kondensatora C4 jest mniejsza, niż dla wyższych.

Jest to zatem dzielnik oporowy o stosunku podziału ściśle zależnym od częstotliwości. Za filtrem znajduje się obwód detektora wartości szczytowej złożony z diody D1 i kondensatora C5. Sygnał, przechodząc przez diodę, polaryzuje ją w kierunku przewodzenia. Z kolei naładowany kondensator zatyka tę diodę, nie pozwalając go rozładować zerowym fragmentom przebiegu prostokątnego. Obciążenie detektora jest niezmienne, więc kondensator C5 rozładowuje się przez nie i napięcie na jego okładkach jest zależne od „szybkości doładowywania”, a więc – przy stałym wypełnieniu – od częstotliwości sygnału.

Wzmacniacz operacyjny US2 (TL081) pracuje w układzie komparatora, pracując z otwartą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Porównuje wartość napięcia na C5 z napięciem regulowanym potencjometrem P2, podłączonym jako dzielnik rezystancyjny napięcia zasilającego. Wyjście US2 przełącza się w stan niski po przekroczeniu ustalonego progu, załączając diodę LED1 oraz polaryzując bazę T1 tak, że ten zaczyna przewodzić. Na wyjściu układu, dzięki rezystorowi R6, występuje poziom masy, zaś po jego uaktywnieniu, na wyjście pojawia się napięcie +12 V, które może służyć do sterowania przekaźnikiem. Rezystor R4 ogranicza prąd płynący przez LED1, zaś R5 ogranicza prąd bazy tranzystora T1.

Ponieważ wejście wzmacniacza operacyjnego stanowi jedyne obciążenie C5, tworzy to kilkusetmilisekundową histerezę, uodparniając urządzenie na powstawanie zakłóceń, które mogłyby postać w momencie przełączania komparatora.

Przełącznik zbliżeniowy zmontowano na płytce o wymiarach 37 mm×140 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat montażowy przełącznika zbliżeniowego

Montaż przeprowadzany jest tradycyjną metodą: od elementów najniższych do najwyższych. Pod układy scalone warto jest zastosować podstawki DIP8. Linią przerywaną oznaczone jest miejsce opcjonalnego przecięcia płytki, na wypadek potrzeby umieszczenia „sensora” pojemnościowego w inny miejscu. Pamiętać należy, by połączenie między nim a resztą układu odbywało się cienkimi, izolowanymi przewodami, o długości nieprzekraczającej kilku centymetrów i odsuniętymi od siebie. Spełnienie tych wymagań jest konieczne, albowiem dodanie zbyt dużej pojemności spowodowałoby uniewrażliwienie generatora na zbliżanie ręki.

Urządzenie powinno być zasilane napięciem stałym o wartości ok. 12 V, dobrze filtrowanym, niekoniecznie stabilizowanym. Pobór prądu w stanie spoczynku wynosi ok. 10 mA, podczas pobudzenia ok. 20 mA.

Kilka słów należy poświęcić strojeniu układu. Zalecane pozycje początkowe potencjometrów: P1 ustawiony w połowie zakresu, P2 ślizgaczem skierowany prostopadle w stronę dłuższej krawędzi układu US2. Potencjometr P1 ustala charakterystykę filtru, P2 próg zadziałania komparatora. Podczas dokonywania regulacji, układ winien leżeć na nieprzewodzącej powierzchni. Przy P1 ustawionym w połowie, delikatnie reguluje się P2, jednocześnie zbliżając i oddalając dłoń od okładek czujnika. Jeżeli czułość układu jest niesatysfakcjonująca, należy nieznacznie zmienić położenie ślizgacza P1 i ponownie regulować P2. Na ostateczną jej wartość, wpływ mają obydwa te potencjometry. Po umieszczeniu w obudowie (wykonanej z izolatora), może okazać się konieczne dokonanie ponownej regulacji, ze względu na umieszczenie dodatkowej warstwy dielektryka, o innej przenikalności elektrycznej er.

Michał Kurzela, EP