Техника и электроника

Электронные устройства для дома

В последнее время использование сенсорных переключателей в электрических цепях становится все более популярным и начинает находить широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах. Действие электронных сенсорных переключателей производит большое впечатление. Устройство, которое начинает функционировать от простого прикосновения пальца к панели управления, вызывает чувство удивления у людей, которые привыкли пользоваться традиционными механическими переключателями. Сенсорные переключатели легко собираются, они не изнашиваются и в конечном итоге по мере появления специализированных переключательных микросхем, по всей вероятности, станут более дешевыми по сравнению со своими предшественниками.

В схеме сенсорного переключателя, приведенной на рис. 1.1, используется одна КМОП интегральная микросхема (ИМС). Она обеспечивает включение или выключение во время прикосновения к контактной пластине и не потребляет тока в статическом режиме, поэтому такие переключатели могут быть использованы вместо обычных в небольших устройствах с питанием от батареек. Размеры и стоимость переключателя могут быть вполне сопоставимы со многими переключателями обычного типа.

Для того чтобы понять принцип действия приведенной схемы, прежде всего необходимо познакомиться с работой логического КМОП-элемента И-НЕ. Микросхема состоит из четырех отдельных элементов И-НЕ, каждый из которых имеет два входа и один выход. Выход элемента обычно находится в состоянии логической 1 и переходит в состояние логического 0 лишь тогда, когда оба входа находятся в состоянии логической 1. Звучит как будто просто, но следует учесть, что в микросхеме имеется четыре таких логических элемента, которые практически не потребляют энергии за исключением тех случаев, когда происходит изменение уровней напряжения и когда сигнал на выходе изменяется скачкообразно при достижении соответствующего порога срабатывания на входе. Логические элементы имеют достаточно большое входное сопротивление, благодаря чему они являются очень полезными элементами в схемах. Они будут использоваться и в других электронных устройствах, приведенных в этой книге.

В схеме переключателя на рис. 1.1 один из входов элемента С соединен с выходом элемента D, а один из входов элемента D — с выходом элемента С, образуя так называемый RS-триггер. Два свободных входа триггера обычно находятся в состоянии логической 1. Если выход элемента D находится в состоянии логического 0, соответственно и вход элемента С, связанный с выходом элемента D, также находится в состоянии логического О, тогда выход элемента С находится в состоянии логической 1 и поэтому оба входа элемента D будут находиться в состоянии логической 1, поддерживая на своем выходе состояние логического 0. Если вход элемента D принимает состояние логического 0, тогда на выходе этого элемента будем иметь состояние логической 1, в результате чего оба входа элемента С будут находиться в состоянии логической 1, а его выход перейдет в состояние логического 0, сохраняя, таким образом, высокий логический уровень на выходе элемента D. Последующее возвращение свободного входа элемента D в состояние логической 1 не- меняет его логического состояния на выходе, т. е. он остается в состоянии логической 1. Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока свободный вход элемента С не перейдет в состояние логического 0. Таким образом, один вход устанавливает RS-триггер в состояние логической 1, а другой — в состояние логического 0.

 Теперь рассмотрим работу сенсорного переключателя и проанализируем схему, представленную на рис. 1.1, когда выход элемента D находится в состоянии логического 0. Когда Вы не касаетесь контактных пластин, резисторы R1 и R2 обеспечивают низкий уровень на входах элементов А я В, что соответствует состоянию высокого уровня (логической 1) на их выходах, а это значит, что оба входа триггера также находятся в состоянии логической 1. В то же время любой накопленный заряд на конденсаторе С2 будет стекать через резистор R3, устанавливая, таким образом, на втором входе элемента В состояние логического 0. Второй вход элемента .Л находится в состоянии логической 1, поскольку он связан с выходом элемента В, находящегося в состоянии логической 1. Касание пальцем контактных пластин приводит к возникновению между ними сопротивления порядка 10—100 кОм, при этом оба входа элементов А и В, связанные с местом касания, устанавливаются в состояние логической 1. Поскольку теперь уже оба входа элемента А находятся в состоянии логической 1, его выход переходит в состояние логического 0, а триггер изменяет свое состояние на обратное. Если Вы убрали палец с контактных пластин, выход элемента А снова устанавливается в состояние логической 1, однако триггер остается в новом состоянии, а конденсатор С2, заряжаясь через резистор R3, в течение примерно 0,5 с устанавливает на входе элемента В состояние логической 1. При следующем касании пальцем контактных пластин на втором входе элемента В устанавливается высокий уровень, а на выходе — состояние логического 0, тем самым сохраняется состояние логической 1 на выходе элемента А, при этом триггер возвращается в исходное состояние.

Объяснение принципа действия переключателя выглядит гораздо сложнее, чем его функционирование. Есть, конечно, в этой схеме один нюанс: если удерживать палец на контактных пластинах относительно долго, то напряжение на конденсаторе С2 примерно через 0,5 с достигнет порогового значения напряжения на входах микросхемы и могут возникнуть высокочастотные колебания. Для того чтобы этого не произошло, палец следует удерживать на контактных пластинах не более' одной секунды! В этом случае будет обеспечена надежная работа микросхемы. Поскольку значение тока на выходе КМОП-микро-схемы составляет не более .0,5 мА, для его усиления в данном варианте сенсорного переключателя используется транзистор, который обеспечивает усиление тока примерно до 50 мА, что является достаточным для работы ряда небольших электронных устройств. При необходимости можно обеспечить дополнительное усиление по току в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.2.

Конструкция сенсорного переключателя собирается на обычной плате, на одной стороне которой имеется 10 медных полосок с 24 отверстиями в каждой с шагом 2,5 мм. Прежде всего в полосках необходимо сделать 15 разрезов в местах, отмеченных красным цветом на рис. 1.3. Мельчайшие заусенцы, которые образуются на краях разрезов, следует удалить. Для выявления почти невидимых глазом заусенцев можно воспользоваться увеличительным стеклом. Реальные участки полосок, формирующих схему, показаны красным цветом на рис. 1.4, на котором дано расположение элементов сенсорного переключателя. Элементы схемы монтируются в любом порядке. Однако для облегчения сборки схемы лучше начинать с монтажа перемычек (в данной схеме их 11). Затем следует монтаж самых нижних элементов, поскольку их удобнее удерживать при пайке. Следует помнить, что КМОП-микросхема при несоблюдении мер предосторожности может выйти из строя в результате воздействия статического электричества, поэтому ее монтаж целесообразнее проводить в последнюю очередь. Лучше пользоваться панелью с 14 выводами, расположенными в два ряда, так как использование такой панели облегчает установку или замену микросхем при выходе ее из строя. Как правило, КМОП-микро-схемы поставляются в упаковке из проводящего материала. Это может быть фольга или проводящая пластмасса. Использование контактных штырей для межплатных соединений необязательно, однако это облегчает сборку устройства в целом.

Контактные пластины могут быть изготовлены практически из любого проводящего материала. Это могут быть, например, две металлические пластины, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, или две головки винтов и т. п. Надежные контактные пластины можно изготовить из кусочка материала платы с параллельными медными полосками. При этом следует помнить, что для надежной работы схемы сопротивление промежутка между двумя контактами должно быть не ниже 20 МОм. Интервал рабочих напряжений 3—15 В.

Плата; 10 полосок с 1А отверстиями, щаг 2,5 мм; панель на 14 выводов, двухрядное расположение; штыри; неизолированный луженый медный провод для изготовления перемычек.