Сенсорные выключатели (бесконтактные кнопки) на микросхеме ТТР223

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

И. Нечаев, г. Москва
В статье предложены варианты бесконтактных (сенсорных) выключателей напряжения электрической сети 230 В на специализированной микросхеме ТТР223 (touch pad detector — сенсорный детектор). Микросхемы серии ТТР22х предназначены для построения сенсорных датчиков — бесконтактных кнопок, с помощью которых можно подавать команды управления на различные устройства или отдельные узлы.

В этой серии есть микросхемы, предназначенные для построения одной кнопки (TTP223-ASB — в корпусе SSOP-16, TTP223-DO8 — в корпусе SOP-8 и ТТР223-ВА6 — в корпусе SOT-23-6L), сенсорной клавиатуры или наборного поля из четырёх (TTP224N-BSB, корпус SSOP-16), восьми (TTP226-809SN, корпус SSOP-28) или восьми/шестнадцати (TTP229-LSF, корпус SSOP-28) кнопок. Кроме указанных, существуют и другие микросхемы этой серии в различных корпусах и с различными функциями. На основе этих микросхем изготавливают и продают готовые модули сенсорных кнопок и клавиатур с небольшими печатными площадками, выполняющими функции сенсорных элементов. При приближении или прикосновении пальца к такой площадке происходит срабатывание кнопки и формируется управляющий сигнал. Самый простой и дешёвый модуль с одной кнопкой обычно называется "Сенсорная кнопка ТТР223". В большинстве случаев модуль снабжён светодиодом, который включается, когда на выходе микросхемы присутствует высокий логический уровень.
Рассмотрим более подробно микросхему ТТР223-ВА6, УГО которой показано на рис. 1.

У неё один чувствительный вход/выход I/O (вывод 3), к которому подключают сенсорный элемент, два управляющих
входа TOG (вывод 6) и AHL (вывод 4), с помощью которых можно изменять алгоритм работы микросхемы, один выход с логическими уровнями Q (вывод 1) и два вывода питания. Номинальное напряжение питания — 2...5,5 В, потребляемый ток (зависит от режима работы) — 1,5...13 мкА.
Если управляющие входы никуда не подключены, модуль на основе микросхемы ТТР223-ВА6 работает по принципу не фиксируемой кнопки, т. е. прикоснулся пальцем — включилась, убрал палец — выключилась. В случае подачи на вход AHL (вывод 4) напряжения питания кнопка работает иначе — выключается при прикосновении. Если на вход TOG (вывод 6) подано напряжение питания, кнопка станет работать как фиксируемая, т. е. при каждом прикосновении переключается. Но в зависимости от того, куда подключён вход AHL, при подаче питающего напряжения кнопка окажется в замкнутом (вход AHL соединён с плюсовой линией питания) или в разомкнутом состоянии (вход AHL ни с чем не соединён).
В состав микросхемы входит RC- генератор, частота которого зависит от ёмкости дополнительного внешнего конденсатора и сенсорного датчика, а также другие узлы, которые обеспечивают функционирование микросхемы. Принцип работы устройства основан на контроле изменения частоты или периода следования импульсов встроенного RC-генератора. В момент подачи питающего напряжения происходит калибровка, а затем идёт контроль частоты RC-генератора. При приближении пальца к сенсорному элементу его ёмкость увеличивается, частота RC-генератора уменьшается, что и фиксирует микросхема, формируя на выходе соответствующий сигнал. Чувствительность сенсорного датчика можно уменьшить, подключив к выводу 3 микросхемы дополнительный конденсатор ёмкостью до 50 пф.

На входе I/O (вывод 3) присутствуют пачки напряжения пилообразной формы, осциллограмма которого показана на рис. 2 (при напряжении питания 5 В). В дежурном режиме длительность пачки — около 1,5 мс, период их следования — около 60 мс, с периодом несколько секунд длительность пачки кратковременно увеличивается до 13 мс. При срабатывании датчика примерно на 8 с период следования пачек уменьшается до 9... 10 мс.
Были проведены небольшие исследования микросхемы ТТР223. К выводу 3 был подключён конденсатор переменной ёмкости. До ёмкости 300 пф микросхема при подаче питающего напряжения калибровалась и с увеличением ёмкости чувствительность уменьшалась вплоть до того, что она срабатывала при непосредственном прикосновении к выводу 3. Когда ёмкость переменного конденсатора оказалась более 300 пф, работоспособность микросхемы нарушилась.
Затем непосредственно к выводу 3 был подключён переменный резистор сопротивлением 2,2 МОм. При уменьшении сопротивления (после каждого изменения проводилась калибровка) работоспособность не нарушалась, а чувствительность оставалась практически постоянной. Когда сопротивление стало менее 250 кОм, работоспособность микросхемы нарушилась. Если подключить этот резистор через конденсатор ёмкостью 1000 пф, работоспособность микросхемы сохраняется при уменьшении сопротивления до 50 кОм.
Следует подчеркнуть основное достоинство микросхемы ТТР223 — экономичность, а один из недостатков сенсорного датчика на её основе — повышенная чувствительность к ВЧ-помехам и сетевым наводкам.
Самое очевидное применение микросхемы ТТР223 — в бесконтактном сетевом выключателе, нагрузкой которого может быть лампа накаливания, КЛЛ, светодиодная лампа или в выключателе устройств с питанием от вторичного источника питания постоянного тока. Поскольку выходной сигнал микросхемы маломощный, для управления нагрузкой потребуется применение дополнительного коммутирующего элемента.
Схема первого варианта сетевого сенсорного выключателя показана на рис. 3.

Здесь в качестве коммутирующего элемента применён маломощный тринистор CR02AM-8, для управления которым требуется очень небольшой ток (1...100 мкА), ток удержания также невелик — 3 мА. Поскольку максимальный ток через этот тринистор — 300 мА, мощность коммутируемой нагрузки не должна превышать 60 Вт. Сетевое напряжение выпрямляет диод VD2, резисторы R2, R4 — гасящие, через них протекает средний ток около 1,7 мА. Светодиод HL1 белого свечения выполняет две функции: стабилизирует напряжение питания микросхемы (около 3 В) и подсвечивает сенсорный элемент Е1. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Диодный мост обеспечивает питание тринистора пульсирующим напряжением. На выводы 4 и 6 микросхемы DA1 подано напряжение питания, поэтому выключатель работает в режиме переключения.
После подачи сетевого напряжения на выходе микросхемы DA1 присутствует напряжение около 3 В, тринистор VS1 открывается в начале каждого полупериода сетевого напряжения, которое поступает на нагрузку. При приближении к сенсорному датчику Е1 на выходе микросхемы DA1 напряжение высокого уровня сменится низким, тринистор VS1 перестанет открываться, нагрузка обесточена. При следующем приближении к сенсорному элементу Е1 тринистор VS1 вновь начнёт открываться и на нагрузку поступит напряжение. Чтобы уменьшить влияние низкочастотных наводок, сенсорный элемент Е1 подключён к выводу 3 микросхемы DA1 через ФВЧ C2R1 с частотой среза около 2 кГц. Эти наводки дополнительно ослабляет конденсатор СЗ. Для уменьшения чувствительности выключателя параллельно резистору R1 следует установить конденсатор С' ёмкостью несколько десятков пикофарад.
Все элементы размещены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1 мм, её чертёж показан на рис. 4.

Сенсорный элемент Е1 выполнен в виде круглой печатной площадки, в центре которой сделано отверстие для светодиода HL1. В темноте он указывает местоположение платы и соответственно сенсорной площадки. Вид смонтированной платы показан на рис. 5.

Рабочая сторона выключателя — противоположная показанной на этом рисунке.
В выключателе применены резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа. Резисторы — типоразмера 1206, керамические конденсаторы — типоразмера 0805, оксидный — танталовый типоразмера С. Светодиод можно использовать белого или синего свечения повышенной яркости с диаметром корпуса 3 мм. Клеммник Х1 — однорядный винтовой серии DG126-03R.
Как известно, тринисторы не всегда устойчиво работают с различными видами нагрузки, в частности, с КЛЛ или светодиодными лампами.

На рис. 6 показана схема сенсорного выключателя, у которого в качестве коммутирующих элементов применены полевые транзисторы VT1 и VT2. Такой выключатель подойдёт для включения/ выключения различной маломощной электронной аппаратуры, которая в дежурном режиме потребляет малый ток, и для её коммутации нельзя применить тринистор из-за того, что ток его удержания больше потребляемого аппаратурой.
Схема включения и питания микросхемы здесь аналогичная. Выпрямитель собран на диоде VD2, резистор R2 — гасящий, напряжение питания (5 В) микросхемы стабилизировано стабилитроном VD1, конденсатор С1 — сглаживающий. СветодиодHL1 запитан последовательно с микросхемой, и за счёт падения напряжения на нём минимальное напряжение на затворах транзисторов — около 1,6В. При таком напряжении они ещё закрыты, но зато максимальное напряжение на затворах — 6,6...6,7 В, что обеспечивает меньшее сопротивление каналов. Без светодиода максимальное напряжение на затворах оказалось бы около 5 В. Диоды VD3, VD4 и конденсатор С4 защищают затворы транзисторов от импульсов напряжения, которые могут проникнуть через ёмкость затвор—исток.
Плата этого выключателя изготовлена из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, её чертёж
показан на рис. 7.

Здесь применён выводной резистор R2, а при отсутствии диодов и стабилитрона для поверхностного монтажа можно использовать выводные, например, диоды — 1N4007, стабилитрон — BXV55C5V1. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 8.

Если необходимо, чтобы при подаче сетевого напряжения нагрузка была обесточена, следует отсоединить вход AHL (вывод 4) от плюсовой линии питания, например, приподнять его над платой. Такой режим удобен в случае, если в помещении никого нет и произошло кратковременное отключение сетевого напряжения. После его появления нагрузка будет отключена.
Следует отметить, что клеммник Х1 не является необходимым элементом и предназначен для удобства подключения выключателя. Если клеммник не позволяет разместить плату выключателя в выбранном корпусе, можно обойтись и без него, припаяв провода к контактным площадкам на плате.
Плату выключателя можно разместить в корпусе от малогабаритного ИИП или ЗУ сотового телефона, выполненного в виде сетевой вилки. В этом случае на корпусе следует установить гнездо для подключения различной маломощной радиоаппаратуры, а для светодиода сделать отверстие (рис. 9).

Один из вариантов применения сенсорного выключателя — замена кабельного (установленного на соединительном проводе) движкового или кнопочного выключателя настольной или настенной лампы. Основное преимущество — подсветка выключателя, поэтому его проще найти в темноте. В этом случае подходящим корпусом может служить пластмассовый прямоугольный корпус маркера (рис. 10).
Такой вариант конструкции выключателя показан на рис. 11.

На рис. 12 показан вариант установки выключателя в настенный светильник или настольную лампу с пластмассовым корпусом.

В нём делают только отверстие для светодиода, который обозначит расположение сенсорного элемента. Если корпус имеет тонкие стенки белого цвета, которые слабо поглощают свет, можно обойтись и без отверстия для светодиода. Плату необходимо закрепить вплотную к стенке корпуса. Если он сравнительно толстый, сенсорную площадку можно разместить с другой стороны платы, применив для платы фольгированный с двух сторон стеклотекстолит.
Если для выключателя не нашлось подходящего корпуса, его можно установить в термоусаживаемой трубке или в двух (рис. 13), это обеспечит электробезопасность и вполне удовлетворительный внешний вид (рис. 14).

Не следует забывать, что при подключённом к сети 230 В выключателе все его элементы имеют гальваническую связь с сетью и к ним ни в коем случае не следует прикасаться!
Радио №5 2018
Квазисенсорный выключатель на микросхеме CD40106
Выключатель, управляемый НЧ сигналом
ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ, УМЕЮЩИЙ СЧИТАТЬ.
Выключатель света для кладовки или чулана

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR