Na večini sodobnih kuhinjskih aparatov, pa tudi na mnogih drugih elektronskih napravah, ne najdemo več klasičnih stikal in tipk – zamenjali si jih senzorji dotika.
Avtor: mag. Vladimir Mitrović
Dovolj je približati prst senzorju ali pa se ga rahlo dotakniti, in želena funkcija je aktivirana! V tem članku bomo analizirali nekaj enostavnih elektronskih vezij, ki bodo spremenila svoje stanje, če se jih dotaknemo.
Za uvod poglejmo shemo, ki je prikazana na sliki 9a! Tranzistor Tr1 je zaprt, ker ne obstaja vir, iz katerega bi stekel bazni tok, in niti LED-ica ne bo svetila. Če pa prekrijemo s prstom kontakte A in B, bo LED-ica zasvetila s polnim sijajem! Zakaj se je to zgodilo?
Ta vsebina je samo za naročnike
Ko s prstom prekrijemo kontakte, bo od pozitivnega pola napetosti napajanja (+5V) čez kožo stekel nek zelo majhen tok proti bazi tranzistorja, ne večji od nekaj sto nA. In če je tokovno ojačenje tranzistorja dovolj veliko, bo to dovolj, da LED-ica zasveti! Zato smo uporabili NPN Darlington tranzistor BC517, ki ima tipično tokovno ojačenje okoli 100.000. Z “navadnim” NPN tranzistorjem, kot je recimo BC548 vezje ne bi delovalo, oziroma bi LED-ica komaj opazno zasvetila.
Če za napajanje ne uporabimo baterije ampak omrežni adapter, bomo opazili še en zanimiv pojav: LED-ica bo zasvetila tudi, če se dotaknemo samo kontakta B, ne da bi sklenili tokovni krog proti + polu napetosti napajanja! In še več: če na kontakt B vežemo žico dolžine približno 10 cm, bo LED-ica začela svetiti, ko žici žici približamo dlan na razdalji centimeter ali dva. Naš senzor dotika je postal senzor približevanja, vsaj na malih razdaljah.
Pri baterijskem napajanju to ne bo tako, morda bo LED-ica kratkotrajno zasvetila, ko se prvič dotaknemo kontakta B. Opisan pojav je posledica izvedbe omrežnih adapterjev, ki v pravilu nimajo ozemljitve. Primarni in sekundarni krog sta dovolj ločena, da so te naprave varne za uporabo, vendar pa zaradi vpliva indukcije in preko parazitnih kapacitivnosti kakšen elektron kljub vsemu “preskoči” iz primarnega v sekundarni krog in tako tudi proti našemu prstu in preko nas do zemlje. Del tega naboja gre v bazni priključek tranzistorja, ta tok se ojači in LED-ica kratko zasveti.
Upor R2 nima bistvene vloge v delovanju senzorja, in zato je na shemi označen z modro barvo. Pri baterijskem napajanju se lahko izpusti brez vpliva na delovanje vezja, vendar bo pomagal, da vezje deluje bolj stabilno pri napajanju iz omrežnega adapterja. Če ga uporabimo, naj bo njegova upornost zelo velika. Priporočena vrednost je okoli 10 MΩ; manjša upornost bi predstavljala “kratek stik” za majhni bazni tok in bi senzor postal manj občutljiv.
Slika 10 prikazuje sheme nekaj alternativnih izvedb senzorja dotika. Vse delujejo na podoben način kot vezje s slike 9 in so enako funkcionalne; zamenjali smo samo tranzistor.
Na shemi a) smo uporabili dva NPN tranzistorja v Darlington vezavi, ki sta enakovredna zamenjava za BC517. Tokovno ojačenje teh tranzistorjev se množi in da bi dosegli čim večje skupno tokovno ojačenje, je priporočljivo uporabiti tranzistorje z oznako C, kot BC548C. Na shemi b) smo uporabili NPN in PNP tranzistor v konfiguraciji, ki se imenuje Sziklai par. Vezje se obnaša kot en tranzistor z velikim tokovnim ojačenjem. Tudi tukaj je skupno ojačenje enako produktu tokovnih ojačenj obeh tranzistorjev, in spet je priporočljivo uporabiti tranzistorje z oznako C.
Vezje na shemi s slike 10c uporablja drugo vrsto tranzistorja, MOSFET BS170. Prevodnost MOSFET-a ni odvisna od baznega toka, pač pa od prednapetosti krmilnega priključka, ki ga imenujemo vrata (angl. gate). Upor R2 je v tem vezju nujen, ker je upornost krmilnega priključka zelo velika in dolgo časa “ohrani” napetost, na katero je bil postavljen. Zato bi LED-ica bila vključena dalj časa, kot bi morala biti. Zaradi zelo velike upornosti je gate zelo občutljiv na previsoke napetosti. Dodatno ga lahko zaščitimo z diodama D1 in D2, ki preprečujeta nastanek takšnih visokih napetosti, vendar niso nujne za pravilno delovanje vezja.
Vsi senzorji s slik 9 in 10 reagirajo na isti način: aktivirani so samo, ko se dotikamo kontaktov, ali dokler smo jim dovolj blizu – čim ta pobuda izgine, se deaktivirajo. Če želimo z dotikom vključiti ali izključiti neko napravo, jim bomo morali dodati vezje, ki si lahko zapomni stanje, v katero je bilo postavljeno – bistabil. Obstaja več vrst bistabilov, mi smo na sliki 11a predstavili enega neobičajnega, z NPN in PNP tranzistorjema. Da bi tranzistor Tr2 prevajal, mu je potrebno zagotoviti bazni tok preko tranzistorja Tr1. Da bi tranzistor Tr1 prevajal, mu je potrebno zagotoviti bazni tok preko tranzistorja Tr2. Z drugimi besedami, ali niti eden od tranzistorjev ne bo prevajal, in skozi LED-ico ne bo tekel noben tok, ali pa bosta prevajala oba, in bo tudi LED-ica zasvetila.
Tok skozi LED-ico je določen z napetostjo izvora, padcem napetosti na LED-ici in bistabilu ter uporom R3, ki v našem primeru znaša okoli 2 mA. Približno pol tega toka gre skozi baze, pol pa skozi kolektorje obeh tranzistorjev, zaradi česar se tranzistorji nahajajo v stanju velike prevodnosti (v zasičenju). Zato je padec napetosti na aktiviranem bistabilu majhen, nižji od 1 V.
Z druge strani, skozi neaktivirani bistabil ne teče noben tok. To pravzaprav ni čisto točno! Tisti, ki so podrobneje preučevali tranzistorje vedo, da pri tranzistorjih tudi ko ni v prevodnem stanju, iz kolektorja proti bazi teče “tok curljanja” (angl. leakage current), Icb0. Ta tok je zelo majhen, v vezju na sliki 11a pa je ojačen z drugim tranzistorjem, katerega kolektorski tok spet ojači prvi tranzistor… Padli smo v začarani krog, v katerem bi ta najbolj pogosto popolnoma zanemarljiv tok povzročil, da sta oba tranzistorja močno odprta tudi takrat, ko bi morala biti izključena.
Problem smo rešili z dodajanjem uporov R1 in R2. Čeprav je njuna upornost velika, za zelo majhne tokove Icb0 predstavlja “kratek stik” in tokovi ne morejo “zaviti” proti bazi drugega tranzistorja in izzvati opisano verižno reakcijo. Tako je vezje postalo stabilno, in ima še eno dobro lastnost: za razliko od nekih drugih izvedb bistabilov, pri katerih ne moremo predvideti kakšno stanje bo zavzelo vezje, ko ga priključimo na napetost napajanja, bo bistabil s slike 11a vedno ob vklopu napetosti izključen. Vključimo ga lahko tako, da kateri koli tranzistor postavimo v prevodno stanje. V našem primeru je dovolj, da samo za trenutek sklenemo tipko T2: Tr1 bo začel prevajati, to bo povzročilo, da začne prevajati Tr2 in nato ni več važno, ali je tipka T2 sklenjena ali ne – LED-ica ostane vklopljena.
Bistabil lahko izključimo če kateri koli tranzistor “izključimo”. V našem primeru je dovolj to, da samo za trenutek sklenemo tipko T1: tranzistor Tr2 bo prenehal prevajati in takoj nato tudi Tr1, ker bo “izginil” njegov bazni tok. Nato ni več važno ali je tipka T1 sklenjena ili ne – oba tranzistorja ostajata v neprevodnem stanju in LED-ica je ugasnjena.
Tipki T1 in T2 lahko zamenjamo z našim senzorjem dotika po shemi na sliki 11b. Za T2 je dovolj postaviti samo en tranzistor, Tr5, ker on skupaj s tranzistorjem Tr1 tvori Sziklai par (poglejte pojasnilo v sliki 10b). Tipko T1 zamenjamo s tranzistorjema Tr3 in Tr4 v Darlingtonovi vezavi. Da bi vezje naredili čim bolj občutljivo je tudi tukaj priporočljivo uporabiti tranzistorje z oznako C, zaradi njihovega večjega tokovnega ojačenja. Če se prstom dotaknemo kontaktov C in D, bo začel prevajati Tr5 in bo preklopil bistabil v stanje v katerem LED-ica sveti. Če se dotaknemo s prstom kontaktov A ib B, bosta začela prevajati tranzistorja Tr3 in Tr4 ter preklopila bistabil v stanje v katerem LED-ica ne sveti.
Tukaj je zanimivo opomniti, da bo vezje menjalo stanje tudi, če se dotaknemo samo “aktivnih” kontaktov B in D, tudi pri baterijskem napajanju. Zakaj to pri vezjih dotika s slik 9 in 10 ni bilo tako? V trenutku ko se s prstom dotaknemo aktivnega kontakta pride do izboja, zaradi katerega bo stekel bazni tok tranzistorskega senzorja – tranzistor bo začel prevajati in LED-ica bo zasvetila. Ta izboj tako kratko traja, da je ta pojav težko opaziti. Vendar je pa za spremembo stanja bistabila s slike 11b dovolj tudi zelo kratko aktiviranje tranzistorja Tr3, oziroma Tr4 in Tr5: zato nam v tem primeru kontakti A in B pravzaprav niti niso nujni. Ista opomba velja tudi za upora R4 in R5.
Z dodatkom enega tranzistorja in z majhno modifikacijo vezja s slike 10 bomo dobili vezja prikazana na sliki 13. Trojni Darlington in trojni Sziklai “par” imajo še večja tokovna ojačenja in bodo še bolj občutljivi na vplive iz okolice. Če postavimo na bazo prvega tranzistorja žico dolžine 10 cm, bomo dobili svojevrstno anteno, ki bi zbirala elektromagnetne motnje iz okolice.
Ko je vezje s slike 13 vezan na omrežni adapter, bo LED-ica stalno svetila: preko adapterja iz omrežja prihaja dovolj pobude, da je vezje stalno aktivirano. Svoj pravi namen bo dosegel, če mu zagotovimo baterijsko napajanje: takrat mora antena zbrati dovolj signalov iz okolice, da bi se vezje aktiviralo. Elektromagnetne motnje bodo najmočnejše takrat, ko anteno približamo njihovemu izvoru – npr., energetskemu kablu na katerega je neka naprava vezana v zidno vtičnico. LED-ica prične svetiti, ko se antena nahaja na oddaljenosti nekaj centimetrov od kabla in sveti močneje, če je ta oddaljenost manjša. Če povečamo upornost upora R2, ali če ga popolnoma odstranimo, bo vezje postalo bolj občutljivo in bolj nezanesljivo. Prav tako bo senzor bolj občutljiv, če se s prstom dotaknemo nekaterih njegovih delov (npr., baterije).
Z modifikacijo senzorja dotika smo dobili detektor električnih vodov pod napetostjo! Bilo bi lepo, če bi nas takšno vezje razen s svetlobnim efektom, na bližino električnih vodov lahko opozoril tudi z zvokom. Poskusil sem paralelno LED-ici in uporu R1 vezati aktivni piskač (buzzer) v upanju, da bo piskač zapiskal, ko LED-ica zasveti (slika 14). Vendar detektor takrat ni delal dobro: LED-ica je komaj zasvetila, iz piskača ni bilo zvoka. Zaključil sem, da je aktivni piskač preveliko breme za tranzistor Tr3, in začel sem iskati ustrezno rešitev s pasivnim piskačem. Da bi piskač zapiskal, potrebuje ustrezen vir spremenljive napetosti – oscilator. Kako enostavno napraviti oscilator za pasivni piskač bomo pogledali v naslednjem nadaljevanju!
