kapazitiver Schalter

Und wieder mal ein kleines Projekt, was man fast überall einsetzen kann. gedacht ist der Kapazitive Sensor für Einschaltfunktionen z.B. im PC oder als einfacher Kapazitiver Sensor. Grundidee ist das nutzen der Eigenkapazität des menschlichen Körpers (ca. 200pF). Aufgebaut wurde die Schaltung als doppelte Ausführung (2 Sensoren), da die ICs als Quad und Dual-Gatter zu erwerben sind.

Schaltplan:

Schaltplan
Gedacht ist die Schaltung für Spannungsversorgungen im Bereich von 2,5V bis 5,5V. Somit ist der Sensor ideal im PC und im Modellbaubereich einsetzbar. Das Herzstück der kleinen Schaltung ist das NAND-Gatter IC1a. Dieser bildet mit dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 einen simplen RC-Oszillator.

Funktionsweise:

Wird die Sensorfläche nicht berührt, wirkt sich nur der Trimmer auf das Oszillatorsignal am D-Eingang des D-Flipflops aus. Da das Oszillatorsignal durch das zweite NAND-gatter negiert am Takteingang anliegt, kommt es nie zu einer Übereinstimmung von Takt und D-Eingang. Berührt man nun die Sensorfläche, schaltet man mit der menschlichen Körperkapazität quasi einen Kondensator gegen Masse mit dazu. Dies bewirkt eine Phasenverschiebung des Oszillatorsignals am D-Eingang und es kommt zur Überschneidung von Takt und D-Signal. Damit schaltet der D-Flipflop den Q-Ausgang auf High und damit den Transistor T1 durch.
Hier eine Simulation mit CircuitSim. Leider sieht man das Schwingen nicht im Scope, und das Abwechselnde Signal von Takt und D Eingang wird nicht sauber dargestellt. Aber ich denke man kann es verstehen.
Das grüne Signal im Scope ist die Spannung, das gelbe ist der Strom. Schön zu sehen, wie sich der Ent-/Ladestrom der Kapazität am Schalter mit dem variieren der Potistellung ändert. Damit kann man die Phasenverschiebung, und damit die Sensibilität des Sensors kalibrieren.



Takt der Astabilen Kippstufe

Am Ausgang des Nand-Gatters IC1a sieht man gut wie der Multivibrator mit ca. 15kHz schwingt.

Nochmal im Detail was passiert:

unbetätigte Schaltfläche

Ist die Sensorfläche unbetätigt, so ist das Signal am D-Eingang (Gelb) des D-FlipFlops stets vor der High-Flanke des Taktsignals (blau) wieder auf null abgeklungen.

Flanke bei betätigter Schaltfläche

Wird nun der Sensor betätigt, so klingt das D-Signal (Gelb) aufgrund der menschlichen Körperkapazität nicht so schnell ab, und der D-FlipFlop schaltet bei positiver Taktflanke (blau) den Ausgang Q auf High. Gut zu sehen ist auch, dass anscheinend das Taktsignal kapazitiv etwas gegen Masse gezogen wird (etwa ein halbes Volt weniger Amplitude als bei unbetätigten Zustand).

Aufbau:

Die einfachen und wenigen Verbindungen lassen sich schnell auf Lochraster aufbauen. Als duale Ausführung kommt man locker mit 60x40mm Platinenstücken zurecht.

Aufbau auf Lochraster

Als Sensorflächen genügt es, kleine Platinenreste einfach mit einem Draht anzuschließen. Je Größer die Sensorfläche, umso größer kann der Abstand zwischen Hand und Fläche sein. Es können sogar Materialien wie Holz, Acrylglas oder Folien zwischen Hand und Sensorfläche gelegt werden und der Sensor wird trotzdem funktionieren.

Schaltung mit Sensorflächen
Video:

Projekt aus dem Jahre 2010