PKE – Praktyczny Kurs Elektroniki (7) Tajemniczy sensor zbliżeniowy

Na fotografii wstępnej przedstawiony jest układ tajemniczego sensora zbliżeniowego. Wyposażony jest on w izolowaną „antenkę” (niebieski drut z lewej strony). Zbliżenie ręki do tej „antenki” po pierwsze powoduje zaświecanie niebieskiej diody LED i terkot brzęczyka. Po drugie zaczyna pracować efektowny wielobarwny wąż świetlny, składający się z pięciu różnokolorowych diod LED.

Układ jest tajemniczy dlatego, że reakcja następuje na odległość – wystarczy samo zbliżenie ręki. Nie trzeba niczego dotykać. Wykorzystujemy prosty sensor, czyli czujnik pojemnościowy.

Działanie prezentowanego układu możesz obejrzeć na filmiku, dostępnym tutaj.

W trakcie filmiku podawane są informacje o warunkach pracy i sposobach zasilania układu. Jak widać, czułość sensora bardzo się zmienia, zależnie od różnych czynników. Czułość jest najmniejsza przy zasilaniu z baterii, jednak zależy między innymi od tego, czy w pomieszczeniu są włączone jakieś urządzenia elektryczne, choćby żarówki. Czułość zdecydowanie wzrasta, jeżeli obwód masy zostanie uziemiony, czyli dołączony elektrycznie do ziemi za pośrednictwem sieci wodociągowej czy nawet instalacji centralnego ogrzewania. Zdecydowanie większą, nawet zbyt dużą czułość, układ uzyskuje przy zasilaniu z zasilacza, dołączonego do sieci energetycznej.

Nie zdziw się więc, że gdy zrealizujesz taki układ i zaczniesz go testować, jego czułość zapewne będzie trochę inna niż w pokazanym na filmie moim modelu.

UWAGA! W ŻADNYM WYPADKU nie dołączaj układu wprost do jakiegokolwiek punktu sieci energetycznej. W domowej sieci energetycznej występuje śmiertelnie groźne dla życia napięcie 230V!

Jedynym wyjątkiem jest użycie do zasilania stabilizowanego fabrycznego zasilacza sieciowego, np. wtyczkowego, o napięciu 7,5…12 V.

Zaskakujące działanie prezentowanego nieskomplikowanego układu oparte jest na prostych, ale słabo rozumianych zasadach. Dlatego warto potraktować ten i inne opisane dalej układy i ćwiczenia nie tylko jako ciekawostki, ale jako znakomitą sposobność do praktycznego zapoznania się z zarysami bardzo ważnego problemu zakłóceń „pojemnościowych”, dotyczącego wszystkich układów elektronicznych, w szczególności występujących w ulubionych przez hobbystów układach audio.

Wykład i proponowane ćwiczenia udowadniają, że wbrew potocznym wyobrażeniom, w elektronice nie ma działania żadnych tajemnych sił nieczystych. Są tylko ścisłe, niepodważalne prawa fizyki oraz skomplikowana rzeczywistość, w której czasami trudno ogarnąć wszystkie szczegóły.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Schemat tajemniczego sensora jest pokazany na rysunku A. Wejściem jest punkt X. Tranzystory T1-T3 tworzą „supertranzystor” o ogromnym wzmocnieniu prądowym.

Gdy popłynie choćby znikomo mały prąd bazy T1, zostanie on wzmocniony. W obwodzie kolektora T1 popłynie taki wzmocniony prąd, a potem zostanie on jeszcze wzmocniony najpierw przez T2, potem przez T3. Wzmocnienie prądowe takiego „supertranzystora” może być większe niż milion, więc już znikomo mały prąd bazy T1, rzędu nanoamperów, czyli miliardowych części ampera, spowoduje zaświecenie niebieskiej diody LED6 i reakcję brzęczyka piezo Y1. Wcześniejsze informacje o tranzystorach wskazują, iż reakcja taka nastąpi, gdy w punkcie X pojawi się napięcie dodatnie.

Jak udowadnia film, po zbliżeniu ręki do izolowanej anteny dioda LED6 będzie migotać, a brzęczyk Y1 wyda przerywany, terkoczący dźwięk. Przy zbliżaniu ręki do izolowanej antenki w punkcie X pojawia się napięcie, ale nie stale, tylko zmienne, o czym świadczy terkot i migotanie. Dodatnie połówki tego napięcia zmiennego powodują przepływ prądu przez złącze baza-emiter tranzystora T1, natomiast ujemne połówki powodują przepływ prądu przez diodę D1.

Uwaga! Z uwagi na ogromne wzmocnienie zestawu trzech tranzystorów i na tzw. prądy zerowe tranzystorów, może się zdarzyć, że w spoczynku brzęczyk Y1 będzie wydawał cichy ciągły dźwięk, a dioda LED6 będzie leciutko świecić. Gdyby się tak zdarzyło, należy dołączyć rezystor o jak największej wartości (10MΩ lub mniej) między emiter tranzystora T3 i bazę tranzystora T3 albo T2 – na rysunku A jest to narysowany szarym kolorem rezystor Rx.

W związku z przerywaną pracą, na emiterze T3, czyli w punkcie P, występuje przebieg pulsujący, który powoduje migotanie diody LED6 i terkot brzęczyka. Ten przebieg pulsujący jest podany na wejście układu scalonego U1 typu CMOS4017. Dodatkowy rezystor R2 podciąga napięcie w punkcie P, gdy tranzystory są zatkane (bez niego „stan wysoki” ograniczałoby napięcie przewodzenia diody LED6). Układ 4017 to licznik, zliczający od 0 do 9. Ma on 10 wyjść, z których wykorzystujemy 5, dołączając do nich różnokolorowe diody LED1…LED5. Gdy w punkcie P pojawi się pulsujący przebieg (zmiany napięcia), licznik zaczyna liczyć. Każdy impuls w punkcie P powoduje zwiększenie stanu licznika i stan wysoki pojawia się na kolejnym z jego dziesięciu wyjść. Stany wysokie, pojawiające się na pięciu wykorzystanych wyjściach, powodują zaświecanie linijki LED1…LED5, dając efekt „płynącej fali”.

Montując układ na płytce stykowej, zwróć uwagę na sposób wygięcia nóżek i włożenia w płytkę tranzystorów, a zwłaszcza tranzystora T1 (BC548), co jest pokazane na fotografii B.

W tym układzie po raz pierwszy wykorzystujesz układ scalony w obudowie zwanej DIL (dual-in-line). Zapamiętaj raz na zawsze, że w tego typu obudowach numeracja nóżek jest standardowa: patrząc na obudowę od góry, tak żeby napisy – oznaczenia były normalnie czytelne, z lewej strony zawsze masz znak szczególny – wycięcie. I zawsze nóżka nr 1 jest przy tym wycięciu z lewej strony na dole. Ilustruje to rysunek C.

 

Uwaga! Przed realizacją projektu tytułowego najpierw starannie zapoznaj się z zamieszczonym dalej wykładem.

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

W tym wykładzie zajmiemy się  przebiegami zmiennymi, zaczynając nietypowo od problemu zakłóceń. Proponowane ćwiczenia pozwolą zapoznać się z tym ogromnie ważnymi, a bardzo słabo rozumianymi problemami zewnętrznych zakłóceń, przedostających się do układów elektronicznych z zewnątrz.

Sensor dotykowy. Możesz zbudować układ według rysunku 1a. Gdy będziesz montować go na płytce stykowej, z co najmniej dwóch względów zwróć uwagę na dołączenie nóżek tranzystora T1, jak pokazuje wcześniejsza fotografia B.  Gdy w układzie jednocześnie dotkniesz jednym palcem  do punktu X, drugim do punktu Y, dioda LED1 zaświeci się ciągłym światłem i głośno odezwie się brzęczyk Y1. Nasza skóra ma jakąś (zwykle dużą) rezystancję, więc między punkty X, Y włączamy… rezystor. Tranzystor T1 wzmacnia maleńki prąd płynący przez rezystancję naszego ciała, T2 wzmacnia prąd tranzystora T1, a T3 wzmacnia prąd T2. Diody LED na pewno nie zaświeci jednoczesne dotknięcie punktów X i Z, czyli włączenie rezystancji ciała między te punkty.

Przy okazji: połączenie według rysunków 1b to tak zwany układ Darlingtona, a według rysunku 1c – układ Sziklai’ego. Wzmocnienie prądowe (b=I_C/I_B) jest równe iloczynowi wzmocnień obu tranzystorów (b=b₁*b₂), w praktyce 1500…500000 razy. Zwróć też uwagę na wartości U_BE, niezbędne do ich otwarcia.

My w układzie tytułowym i na rysunku 1a realizujemy bardzo czuły sensor, łącząc trzy tranzystory: pojedynczy npn T1 i układ Darlingtona T2+T3. Możesz też wykorzystać inne kombinacje trzech tranzystorów, w tym wersję z rysunku 1d – „potrójnego darlingtona”, ale do otwarcia takiego „potrójnego darlingtona” potrzebne jest napięcie U_BE o potrójnej wielkości (około 1,5 V).

Na fotografii 2 pokazany jest układ w wersji z rysunku 1a. Tranzystory BC548B i BC558B typowo mają wzmocnienie prądowe około 300 lub trochę więcej, więc teoretycznie uzyskujemy „supertranzystor” o niebotycznej wartości wzmocnienia prądowego, rzędu 27 milionów. W praktyce uzyskujemy bardzo dużo, ale nie aż tyle, z uwagi na zmniejszone wzmocnienie prądowe tranzystora T1 przy maleńkich prądach. Ponadto tranzystory T2, T3 będą wzmacniać tak zwany prąd zerowy kolektora tranzystora T1, w katalogach oznaczany I_CE0, o wartości rzędu nanoamperów. W zależności od wielkości  prądu I_CE0 oraz wzmocnienia T2, T3 może się zdarzyć, że w układzie z rysunku 1a w spoczynku i brzęczyk, i dioda LED6 będą leciutko pracować. Aby w takim przypadku tranzystor T3 w spoczynku nie przewodził, należy go „znieczulić”, by małe prądy bazy go nie otwierały. Zapewnia to rezystor włączony między emiterem a bazą. Można go włączyć jako R_A między bazę i emiter T3 albo między bazę T2 i emiter T3 jako R_B – malutkie prądy płyną wyłącznie przez taki rezystor, a prąd bazy jest równy zeru, dopóki spadek napięcia (U=I*R) jest mniejszy od napięcia progowego U_BE.

Przebadałem w ten sposób kilkanaście tranzystorów i tylko w jednym przypadku potrzebny był rezystor „znieczulający” – wystarczył R_B o wartości 10MΩ.

W takim czujniku wszystko jest jasne – do zadziałania wykorzystujemy rezystancję naszego ciała włączaną między punkty X, Y. Mniej jasne jest zachowanie nieco zmodyfikowanych wersji układu…

Na początek usuń rezystor R1=10 MΩ. Gdy na chwilę dotkniesz palcami punktów X, Y, włączysz diodę LED i brzęczyk na długi czas. Naładujesz C1 o maleńkiej pojemności 10 nF i potem będzie się on zaskakująco długo rozładowywał malutkim prądem bazy T1. Świadczy to, że do zadziałania układu wystarczy znikomo mały prąd bazy T1.

A teraz włóż R1=10 MΩ, a za to usuń C1. Dotknij tylko punktu X, nie dotykając ani punktu Y, ani Z. Najprawdopodobniej zaobserwujesz coś zaskakującego – dotknięcie tylko jednego punktu spowoduje reakcję układu. Gdybyś zmniejszył wartość R1, zmniejszysz tym czułość układu. Zbadajmy to dokładniej, bo to bardzo ważne zagadnienie.

Sensor pojemnościowy – zbliżeniowy. Zmodyfikuj układ według rysunku 3, nie zapominając o zamontowaniu tranzystora T1 według fotografii B (chodzi m.in. o to, żeby obwód bazy nie sąsiadował bezpośrednio z kolektorem). Rezystor R1 zastępujemy diodą D1 włączoną „odwrotnie”. W razie potrzeby dobierz jak największy rezystor R_X, żeby w spoczynku brzęczyk nie wydawał ciągłego pisku. Najpierw dołącz do punktu X  „antenkę” w postaci kawałeczka drutu BEZ izolacji. Nie dotykaj do punktu Y, ani do punktu Z, ani do żadnego innego punktu w układzie, a jedynie dotknij palcem do punktu X. Najprawdopodobniej zacznie migotać dioda LED1, a brzęczyk Y1 wyda nie ciągły dźwięk, tylko terkot.

Następnie wymień „antenkę”: zastosuj kawałek drutu w izolacji – jak na fotografii 4. Nie dotykaj innych punktów układu, tylko ściśnij dwoma palcami taką izolowaną „antenkę” – brzęczyk też powinien wydać terkot, a prawdopodobnie zaświeci także dioda LED. Czułość będzie jednak zależna od różnych czynników.

Takie eksperymenty i dostępny tutaj film nie tylko dziwią, ale na pozór podważają podstawowe zasady elektroniki. Po pierwsze, dziwimy się, dlaczego tranzystory zostają otwarte po dotknięciu, a nawet tylko przy zbliżeniu ręki do „antenki”? Z wcześniej zdobytych informacji zdaje się wynikać, że przez kondensator nie może płynąć prąd. Teraz wszystko wskazuje, że przez kondensator C1 prąd jednak płynie i to ten prąd otwiera tranzystor T1.

Pod drugie, powszechnie wiadomo, choćby ze szkolnych zajęć fizyki, że prąd elektryczny zawsze płynie w zamkniętych obwodach, pętlach, jak ilustruje to rysunek 5. Tymczasem jak mówić o przepływie prądu w zamkniętej pętli, gdy jeden palec dotyka lub tylko zbliża się do punktu X? Nie widać tu żadnej „drogi powrotnej” dla prądu.

Być może sądzisz, że nasza antena i układ reagują na fale radiowe. Nie w tym przypadku – odebrane fale radiowe dają bardzo maleńkie napięcia, rzędu mikrowoltów, najwyżej pojedynczych miliwoltów.

Może też przypomnisz sobie o napięciach wytwarzanych przez ludzkie ciało, o badaniach EKG, EEG i o bioprądach. Też nie tędy droga – to także byłyby napięcia rzędu miliwoltów. A przecież my mamy na wejściu tranzystor T1, a jak wiemy, do jego otwarcia potrzebne jest napięcie U_BE około 600…700 mV (0,6…0,7 V). W tym przypadku wystarczy znikomo mały prąd bazy, który popłynie już przy napięciu rzędu 0,5 V, a może nawet troszkę mniej. W każdym razie do otwarcia tranzystorów T1…T3 potrzebne jest dodatnie napięcie w punkcie X o wielkości około +0,5 V względem masy i oczywiście „dodatni” prąd bazy, płynący od punktu X przez kondensator C1 i złącze baza-emiter T1.

Nasz układ nie reaguje na znikomo małe napięcia rzędu miliwoltów. Reaguje natomiast na znikome nawet prądy. Mamy tu czujnik pojemnościowy, reagujący głównie na… przebiegi z domowej sieci elektroenergetycznej.

Właśnie dlatego reakcja układu będzie silnie zależeć od otoczenia. Gdy przeprowadziłem opisany test w sypialni, reakcja układu była bardzo słaba. Gdy jednak, pisząc ten artykuł, położyłem układ blisko, 30cm od  włączonego monitora LCD, nawet nie trzeba było ściskać ani dotykać „antenki” – wystarczyło zbliżyć palec do antenki na odległość 5mm, by brzęczyk terkotał i by zaczęła migotać dioda LED. Mało tego – taką samą reakcję powodowało dotkniecie punktu Y, Z czy jakiegokolwiek innego punktu układu, a nawet zbliżenie dłoni do baterii na odległość kilku milimetrów.

Reakcja byłaby też bardzo silna przy zasilaniu układu z zasilacza sieciowego (przy czym nawet  odwrotne włożenie wtyczki zasilacza do gniazdka może mieć wpływ na działanie). Natomiast ogólnie biorąc, przy zasilaniu z baterii układ reaguje znacznie słabiej. Jeżeli jednak dołączysz punkt Z (masę układu) lub punkt Y, jakimkolwiek przewodem do uziemienia, na przykład do kranu wodociągowego, ewentualnie do kaloryfera, wtedy nawet przy zasilaniu z baterii reakcja nastąpi już przy zbliżaniu do czujnika ręki na odległość 1…2cm.

Zacznijmy wyjaśnianie działania układu. Do tej pory mówiliśmy głównie o napięciach stałych z baterii czy zasilacza, a w domowej w sieci energetycznej mamy napięcie zmienne, sinusoidalne o wysokim, śmiertelnie groźnym napięciu nominalnym 230 V i czasie powtarzania 20 ms (0,02 s), czyli 50 razy na sekundę. Mówiąc fachowo, o częstotliwości 50 herców (50 Hz). Napięcie w sieci i płynący tam prąd zmienia nie tylko wartość, ale i kierunek: przez 10 milisekund napięcie jest dodatnie i płynie w kierunku, powiedzmy dodatnim, a przez następne 10ms – napięcie jest ujemne i prąd płynie w kierunku ujemnym, jak pokazuje rysunek 6.

I właśnie dodatnie połówki przebiegu przemiennego, mającego początek w sieci 50 Hz powodują przepływ maleńkiego prądu przez złącze baza-emiter T1 naszego układu z rysunku 3. Natomiast podczas ujemnych połówek prąd płynie przez diodę D1. W każdym razie tranzystory są otwierane i zamykane przez przebieg sieci energetycznej 50 Hz, dlatego dioda LED migocze, a Y1 terkocze. Rysunek 7 to zrzut z ekranu oscyloskopu, pokazujący przebieg w punkcie P podczas pracy układu z fotografii tytułowej. Niewątpliwie ma on związek z przebiegiem sieci energetycznej.

Rysunek ten udowadnia też, że przyczyną działania układu NIE są tak zwane ładunki statyczne, które się wytwarzają wskutek elektryzowania, np. przez pocieranie np. ubrań ze sztucznych włókien, np. polaru. Przy zdejmowaniu polaru często wręcz przeskakują iskierki, co znaczy, że tak wytwarzane napięcia są bardzo duże, rzędu tysięcy woltów. Owszem, ubrany w polar, dodatnio naelektryzowany człowiek, dotykając punktu X, spowoduje, że dioda LED zaświeci na pewien czas światłem ciągłym i brzęczyk Y1 wyda ciągły dźwięk. Jednak z uwagi na ogromne napięcia, nie eksperymentuj z elektryzowaniem ubrań, bo możesz nieodwracalnie uszkodzić tranzystory.

I w układzie tytułowym, i układzie z rysunku 3 podstawą działania i przyczyną dziwnych zachowań są właśnie prądy ładowania i rozładowania kondensatorów, płynące z przewodów sieci 230V przez różne pasożytnicze pojemności. Te pasożytnicze pojemności (niczym małe kondensatorki) występują pomiędzy wszystkimi przewodzącymi ciałami, które są rozdzielone izolatorem. Kondensator to w sumie dwie przewodzące okładki, przedzielone izolatorem – dielektrykiem. Przewodzące ciała to wszelkie druty, dowolne przedmioty metalowe, przewodzące ciało człowieka oraz ziemia, która też przewodzi prąd. Natomiast izolatory to przede wszystkim powietrze, ale także tworzywa sztuczne, papier, szkło, drewno.

Potoczna opinia głosi, że prąd nie może przepływać przez ten izolator. Jednak kondensator może się ładować i rozładowywać, a to ładowanie i rozładowywanie to nic innego jak przepływ prądu w dwie strony – czyli przepływ prądu zmiennego, ściślej przemiennego.

Wcześniej słusznie traktowaliśmy kondensator jako maleńki zbiornik energii. Teraz widzimy drugą ważną rolę kondensatorów – nie przepuszczają prądów stałych, ale przepuszczają przebiegi zmienne, co wynika z ładowania i rozładowywania tych zbiorników energii. Czym większa pojemność, tym większe są te prądy.

W domowej sieci energetycznej jeden spośród dwóch przewodów prowadzących do żarówki (a dwa spośród trzech prowadzących do gniazdka) jest uziemiony, czyli dołączony do ziemi. Napięcie w tym przewodzie, mierzone względem ziemi, jest równe lub bliskie zeru – dlatego taki dołączony do ziemi przewód nazywamy zerowym lub neutralnym. Natomiast w drugim przewodzie napięcie zmienne względem ziemi wynosi 230V – nazywamy go przewodem fazowym.

Pomiędzy przewodem fazowym a przewodem zerowym włączone są odbiorniki, np. żarówki czy silniki. Ale oprócz tego, pomiędzy przewód fazowy a przewód zerowy i ziemię włączonych jest mnóstwo pasożytniczych „odbiorników” pojemnościowych. Otóż pomiędzy wszelkimi przewodzącymi elementami (także ciałem człowieka) występują maleńkie pojemności (często rzędu pojedynczych pikofaradów) – jakby maleńkie kondensatorki, co w pewnym uproszczeniu ilustruje rysunek 8a. Zwykle są one niepożądane, stąd nazwa pojemności pasożytnicze, inaczej parazytowe. I przez te pasożytnicze pojemności płyną maleńkie prądy zmienne – są to prądy ładowania i rozładowywania tych „kondensatorków”. Wartość tych prądów jest znikoma, nieodczuwalna, zwykle poniżej 0,000001 ampera. Ale jeśli te znikome prądy „po drodze” przepływają przez rezystancję o dużej wartości, wtedy  wywołują na tej rezystancji spadki napięcia o wartości U = I*R, jak ilustruje to rysunek 8b. Po prostu tworzą się dzielniki napięcia, zawierające pojemności i rezystancje. Czym większa rezystancja, tym większy spadek napięcia. I właśnie dlatego, że te pojemności i prądy są małe, wywołują znaczące spadki napięć tylko na rezystancjach o dużej i bardzo dużej wartości. A jest to możliwe, ponieważ duże jest napięcie zasilające w sieci – 230 V.

Zapewne miałeś już do czynienia z tzw. próbnikiem fazy – wkrętakiem z wbudowaną neonówką (fotografia 9). Neonówka zaświeca się, gdy dotkniesz do przewodu fazowego – prąd płynie z przewodu fazowego przez neonówkę, wbudowany rezystor ograniczający i dalej przez pojemność między ciałem człowieka do ziemi.

W testowanym przez nas układzie terkot brzęczyka świadczy, że przyczyną jest sieć energetyczna. Teraz już możemy określić, jak płyną prądy zmienne (dwukierunkowe) w układzie z rysunku 3 i w układzie tytułowym.

Ilustruje to rysunek 10a. Jakaś bardzo maleńka pojemność C_A występuje między przewodem fazowym, gdzie występuje przemienne napięcie sieci 230 V 50 Hz, a małą „antenką”. Jakiś prąd tam płynie, ale jest tak mały, że nie powoduje reakcji układu. Spowodowałby reakcję, gdyby większe rozmiary miała „antenka” i gdyby większa była jej pojemność C_A względem przewodu fazowego, o czym możesz się samodzielnie przekonać, dołączając do punktu X znacznie dłuższą i większą „antenkę”.

Ale w naszym układzie celowo „antenka” i jej pojemność jest maleńka. Wielokrotnie większa (choć też mała) pojemność C_B występuje między przewodem fazowym a powierzchnią Twojego przewodzącego prąd ciała. Jeżeli zbliżysz palec do „antenki”, to dodatkowo między Twoim palcem (ciałem) powstanie znacząca pojemność C_C. Prąd zmienny popłynie z przewodu fazowego najpierw przez pojemność C_B do Twojego ciała, potem przez pojemność C_C między palcem i „antenką” do punktu X, a następnie przez kondensator C1. Dodatnie połówki tego przebiegu zmiennego popłyną przez złącze baza-emiter T1, a ujemne przez diodę D1.

Prąd musi się zamknąć w pętli – musi popłynąć dalej od masy układu elektronicznego (punkt Z) i dalej do ziemi i przewodu zerowego – neutralnego sieci energetycznej.

Jeżeli nasz układ zasilany jest z baterii, to prąd ten popłynie dalej przez pojemność między masą układu a ziemią, jak ilustruje to  rysunek 10a. Ta pojemność (oznaczona C_G) też jest maleńka, więc prąd ładowania i rozładowania takiego zestawu szeregowo połączonych pojemności jest znikomy, dlatego mieliśmy wrażenie, że przy zasilaniu bateryjnym słaba jest „czułość” sensora. Gdy masę naszego układu połączyliśmy z uziemieniem, czyli gdy punkt Z dołączyliśmy przewodem wprost do ziemi, wtedy zaobserwowaliśmy zdecydowany wzrost „czułości”. W rzeczywistości „czułość” naszego sensora jest niezmienna. Uziemiając masę naszego układu, ominęliśmy pojemność C_G, „skróciliśmy łańcuch pojemności”, przez co zwiększyliśmy płynące prądy.

Podobnie jest przy zasilaniu naszego sensora nie z baterii, tylko z zasilacza sieciowego. Wprawdzie dla bezpieczeństwa w każdym zasilaczu obwody dołączone do sieci 230 V są galwanicznie oddzielone od obwodów wyjściowych, jednak jak ilustruje to rysunek 10b, między nimi zawsze występuje pojemność C_Z, dużo większa od zaznaczonej na rysunku 10a pojemności C_G. Przepływ naszych maleńkich „prądów czujnikowych” przez taką dużą pojemność C_Z nie napotyka przeszkód.

Zwróć uwagę, że zależnie od konstrukcji zasilacza i innych czynników, na przykład „kierunku włożenia wtyczki zasilacza w gniazdko”, omawiane maleńkie prądy mogą płynąć różnymi drogami. I tak na przykład prąd może popłynąć według rysunku 11a od przewodu fazowego przez C_B, ciało człowieka, C_C, punkt X, C1, T1+D1, punkt Z i dalej przez C_Z do ziemi. Ale maleńki prąd zmienny może też popłynąć według rysunku 11b: od przewodu fazowego przez pojemność C_Z do punktu Z (masy), przez T1+D1, C1, C_C do ciała człowieka, a dalej przez C_D do ziemi i przewodu zerowego. Co ciekawe, pojemność C_D zwykle jest większa od pojemności C_B, a w rezultacie przy zasilaniu z zasilacza sieciowego „czułość” może być większa niż przy zasilaniu bateryjnym i uziemieniu według rysunku 10a.

Rysunki 10 i 11 są bardzo uproszczone. W rzeczywistości nie chodzi o pojedyncze pojemności, tylko o skomplikowaną i nieprzewidywalną sieć mnóstwa pojemności rozproszonych „wszystkiego ze wszystkim”, przez co tworzą się najrozmaitsze konfiguracje, dzielniki i drogi przepływu prądu. Właśnie dlatego zachowanie omawianych układów może się wydawać dziwne, a wręcz sprzeczne z logiką.

W ramach takich testów możesz sprawdzić działanie układu bez diody D1, modyfikując wejście według rysunku 12a – bez diody. Teoretycznie nie powinien działać, bowiem kondensator nie ma się jak rozładować. Tak samo, a nawet tym bardziej, nie powinna działać wersja z rysunku 12b, ponieważ kondensator ewidentnie nie ma się jak rozładować. Jednak u mnie takie wersje też działają dzięki pewnym niedoskonałościom tranzystorów, pojemności wewnętrznej diod, innym pasożytniczym pojemnościom i ogromnej czułości układu.

W układzie z rysunku 1a, aby zlikwidować wpływ takich zmiennych zakłóceń, włączyliśmy kondensator  C1 między bazę T1 i masę. Znikome prądy zmienne nie są w stanie go naładować do napięcia rzędu 0,5 V, a wtedy nie otwierają tranzystora T1. Podobnie będzie, gdy w układzie z rysunku 3 dodasz taki kondensator – wersja z rysunku 12c przestanie być czujnikiem pojemnościowym, ponieważ kondensator C2 o dużej pojemności niejako zwiera przebiegi zmienne do masy – te ważne zagadnienia omówimy w jednym z następnych wykładów. Dla ciekawości usuń kondensator i według rysunku 12d między bazę i emiter T1 włącz rezystor R_X, zaczynając od 10 MW, potem 1MW i 100kW.

Czułość się obniży, ponieważ małe prądy nie wywołają na rezystancji R_X spadku napięcia rzędu 0,5 V, niezbędnego do otwarcia tranzystora.

Działanie mojego modelu z fotografii wstępnej oraz z fotografii 4 możesz obejrzeć na filmie, dostępnym tutaj.

Jednak u Ciebie najprawdopodobniej będzie nieco inaczej. Działanie zależy m.in. od wielkości (powierzchni) „antenki”, od rozmieszczenia przewodów energetycznych w mieszkaniu i innych czynników.

Niemniej podstawowa idea jest prosta. Zapamiętaj, że do każdego układu elektronicznego przez różne pasożytnicze pojemności przenikają zakłócenia. Zagadnienie to jest bardzo obszerne i skomplikowane, ale też bardzo ważne w praktyce. Dlatego zachęcam do przeprowadzenia testów, nawet jeśliby takie testy dały dziwne wyniki, na pozór niewytłumaczalne.

Wykład 6 poświeciliśmy ważnym i trudnym zagadnieniom przenikania zakłóceń przez pasożytnicze pojemności (przez pole elektryczne). Całkowicie pominęliśmy natomiast odrębny, także ważny temat przenikania zakłóceń przez indukcyjności wzajemne (przez pole magnetyczne).

Na koniec jeszcze trzy propozycje układów o bardziej użytecznym charakterze.

Praktyczny szukacz kabli to nieco uproszczona odmiana sensora zbliżeniowego. Uproszczona, bo zawierająca tylko dwa tranzystory według rysunku 13.

Wypróbuj „antenki” różnej wielkości i kształtu. Mój model na płytce stykowej pokazany jest na fotografii 14. Proponuję, żebyś wykonał taki szukacz w bardziej zwartej postaci i żebyś wykorzystał go do eksperymentów i poszukiwania przebiegu kabli w ścianach. Zadanie może być o tyle trudne, że niektóre materiały budowlane zawierają nieco wilgoci i już to powoduje, iż nie są izolatorami, a raczej bardzo kiepskimi przewodnikami, co „rozmywa sytuację” i utrudnia pomiary.

Praktyczny czujnik pojemnościowy. W układzie według rysunku 15 mamy wyróżniony różową podkładką generator, który wytwarza przebieg o częstotliwości dużo większej niż częstotliwość sieci (około 30 000 Hz). Zieloną podkładką wyróżniony jest układ czujnika. Oba te układy połączone są sensorem pojemnościowym.

Fotografia 16 pokazuje cały model. Tranzystor T3 ma nóżki wygięte według wstępnego rysunku B. Na filmie można zobaczyć działanie mojego modelu z rezystorem R8=470 kWΩ, zarówno przy zasilaniu z zasilacza wtyczkowego, jak i z baterii.

Między punktami A, B występuje jakaś mała pojemność Cx. Gdy zbliżymy (bez dotykania) palec do obu pól czujnika, pojemność Cx zwiększy się. Zasada działania jest mniej więcej taka, że gwałtowna zmiana napięcia w punkcie A powoduje ładowanie pojemności Cx (i dużo większej C3). Ładowanie powoduje przepływ przez chwilę prądu. Wielkość takiego impulsu zależy od pojemności Cx. W stanie spoczynku impulsy prądowe są na tyle małe, że nie powodują otwarcia tranzystorów T4, T5. Zbliżenie palca do sensora zwiększa pojemność Cx i w takt sygnału generatora otwierane są tranzystory T4, T5, co uruchamia brzęczyk Y1 i zaświeca diodę LED1. Rysunek 17 pokazuje przebieg z generatora w punkcie A oraz wielokrotnie mniejsze i krótsze impulsy w punkcie B w spoczynku i po zbliżeniu palca do sensora.

Omawiane impulsy prądowe są małe i bardzo krótkie. Najkrócej mówiąc, aby je przedłużyć, dodane są kondensatory C5 i C6. Natomiast tranzystor T3 pełni funkcję tzw. wtórnika – bufora.

Wszystkie omawiane układy po pierwsze realizujemy na płytce stykowej, po drugie wykorzystujemy tylko elementy z zestawu do tego kursu. Oba te czynniki bardzo ograniczają. Projektując praktyczny czujnik pojemnościowy, zwiększylibyśmy częstotliwość i zastosowalibyśmy innej konstrukcji sensor. To uprościłoby układ. W związku z ograniczeniami, a zwłaszcza problemem pasożytniczych pojemności między polami i listwami stykowymi, nie sposób na płytce stykowej wykonać sensora o dobrych parametrach. Właśnie z uwagi na pasożytnicze pojemności płytki, elektrody A, B sensora zostały zrealizowane nietypowo z szeregu zwór, łączących pola stykowe, a jedna listwa stykowa pomiędzy nimi musi być dołączona do masy, jak pokazuje fotografia 18. Wprawdzie to połączenie do masy zmniejsza pojemność Cx, ale za to procentowe zmiany tej pojemności przy zbliżeniu palca są większe.

Pojemność Cx sensora w spoczynku jest na tyle mała, że impulsy w punkcie B, a także na bazie i emiterze wtórnika T3 są mniejsze niż 0,6V. Impulsy te podawane są na bazę tranzystora T4, ale w spoczynku są za małe, żeby otworzyć T4. Po zbliżeniu palca do sensora impulsy te stają się większe niż 0,6V i otwierają T4, co otwiera też T5. Tak jest przy zasilaniu bateryjnym. Jak widać na filmie, układ zasilany z baterii działa nawet bez rezystora R8. Natomiast przy zasilaniu z sieci energetycznej za pomocą zasilacza wtyczkowego, w grę wchodzą dodatkowe pojemności i czułość układu obniża się. Wtedy przy zbliżaniu palca do sensora impulsy w punkcie B są za małe, by otworzyć T4. Aby zwiększyć czułość, można wstępnie podwyższyć napięcie stałe na bazie T4 o 0,1…0,4 V, co spowoduje, że mniejsze impulsy będą otwierać T4. W praktyce należy tak dobrać R8 o jak najmniejszej wartości, by w spoczynku brzęczyk i LED1 nie pracowały (można łączyć rezystory równolegle i szeregowo). Wtedy układ ma największą czułość, ale może pracować niestabilnie. W moim modelu taką minimalną wartością R8 okazało się 230 kΩ (220 kΩ+10 Ω), ale przy wartości R8=220 kΩ odzywał się brzęczyk. Dla bezpieczeństwa w modelu zastosowałem R8=470 kΩ. W Twoim modelu może to wyglądać nieco inaczej.

Zachęcam do wykonania opisanych ćwiczeń! Nawet gdybyś wszystkiego nie rozumiał lub nie uzyskał takich wyników jak ja, zdobyta wiedza przyda Ci się w przyszłości.

Piotr Górecki