Un interrupteur commandé par détecteur de proximité

Ce capteur de proximité, réalisé avec un composant d’avant-garde, est en mesure de détecter la variation de capacité due au contact ou à l’approche d’un doigt, d’un pied ou de tout autre corps conducteur. Il sera idéal pour effectuer tout type de commande où le contact direct n’est pas possible ou lorsqu’il doit être discret sinon invisible.


Lorsqu’on évoque les détecteurs de proximité ou les détecteurs à “touchcontrol” (effleurement), on fait allusion à des dispositifs électroniques de formes diverses, activables par l’intermédiaire du toucher, de l’effleurement ou de l’approche d’un corps.
En principe, il s’agit d’un doigt de la main d’une personne qui doit allumer ou éteindre quelque chose.
Ce n’est pas une nouveauté, dans la mesure où il existe des dizaines de systèmes de ce genre.

Un peu d’histoire !
Les premiers interrupteurs à effleurement étaient réalisés à l’aide de deux électrodes reliées à la base d’un transistor darlington et exploitaient l’amplification du signal radio capté par le corps humain à cause de l’interférence de la ligne électrique à 50 Hz, ainsi que des nombreuses composantes électromagnétiques voyageant dans l’éther.
C’est sur ces bases, qu’ont été réalisés différents modèles de commandes par effleurement et même certains claviers.
Il y a eu une période durant laquelle de telles commandes étaient en vogue, si bien que certains constructeurs d’appareils domestiques réalisaient des téléviseurs utilisant ce principe et sur lesquels les commandes étaient actionnées à l’aide d’un simple effleurement de deux électrodes.
L’inévitable progrès technologique a également investi le secteur des interrupteurs à effleurement, pour lesquels sont apparus des circuits spécialisés produits par différents constructeurs comme, entre autres, la société américaine QUANTUM.
Ce fabricant s’est spécialisé dans les circuits intégrés pour la détection de proximité, donc, destinés à la réalisation de commandes par toucher ou par proximité.
La méthode innovante utilisée par la société QUANTUM, la bonne fiabilité démontrée par les essais en laboratoire et les applications mises au point par le constructeur dans le secteur de la domotique nous ont incités à réaliser le projet décrit dans cet article.
Ainsi, vous disposerez d’une commande par détection de proximité, utilisable aussi bien dans le domaine professionnel que dans le domaine privé.

De la théorie à la pratique
La première application est une sorte de circuit de démonstration, un circuit qui permet de valider immédiatement le potentiel et les performances des circuits intégrés QUANTUM.
Il s’agit d’une carte de démonstration pour le circuit intégré QT110, le plus simple capteur de proximité de ce fabricant.
Avant de voir comment est fait le circuit, quelques mots pour expliquer ce qu’est et comment fonctionne ce circuit intégré, en commençant par dire qu’il s’agit d’un composant contenant une interface à transfert de charge électrique et d’un discriminateur capable de vérifier lorsque la charge est prélevée.
L’étage d’entrée fonctionne en mode bidirectionnel et, initialement, il applique un potentiel à l’électrode connectée à la patte 7. Puis, ainsi chargée, la partie réceptrice attend que la charge déposée sur cette électrode soit prélevée.
Cette décharge ne peut intervenir que si, par un moyen quelconque (direct ou par un diélectrique) l’espace séparant la patte 7 de la terre est refermé. Donc, l’électrode devient la première armature d’un condensateur, la seconde étant la terre.
Ainsi, tout ce qui est interposé entre les deux électrodes constitue un diélectrique dont la résistance et les dimensions déterminent un transfert plus ou moins accentué de la quantité de charge fournie par le driver à l’entrée.
Si on touche l’électrode d’entrée directement avec un doigt, la charge est prélevée et transmise à la terre.
Si, par contre, on protège l’électrode avec un isolant peu épais et que le doigt touche cet isolant, la charge est également transmise, au travers de ce diélectrique constitué par cet isolant.
Le principe vaut également pour l’air, car c’est aussi un diélectrique (dont la constante est environ égale au diélectrique absolu), qui permet le passage de la charge entre une armature et l’autre.
Pour preuve, une fois le circuit réalisé, vous pourrez constater que pour faire coller le relais, il suffit seulement d’approcher un doigt de l’électrode ou du fil connecté à la patte 7 du circuit intégré, sans avoir besoin de le toucher physiquement.
Il est intéressant de noter que le circuit intégré calibre continuellement son étage de sortie en fonction du diélectrique.
Ceci permet de changer le mode de fonctionnement en modifiant ce même diélectrique.
Par exemple, en sélectionnant un gain élevé et en reliant une petite pastille à la patte SNS2 (7) du circuit intégré, la sortie ne pourra être activée qu’en touchant avec un doigt la pastille en question.
Si, à cette même patte, nous raccordons une plaque de métal de 30 cm par 20 cm, nous obtiendrons l’activation de la sortie, sans toucher la plaque mais simplement en approchant la main à environ 8 cm.
La recalibration est donc automatique.
Ainsi, pour faire différents essais, nous pouvons relier à la patte SNS2 (7), un fil électrique muni d’une pince crocodile et la relier à différents types de diélectrique comme le corps d’une lampe de bureau, un morceau d’aluminium, une tête de vis, une poignée de porte, etc.
Il faut noter qu’après environ 60 secondes, le buzzer émettra un son pour indiquer que le circuit intégré s’est calibré sur ce type d’électrode.
La détermination du gain s’effectue, par contre, manuellement, en fermant à l’aide de petits cavaliers, les pattes 5, 6, 7 entre elles, suivant une combinaison particulière.
En pratique, en fermant 5 et 7, on sélectionne la plus faible sensibilité. Si l’on ferme 5 et 6, c’est la sensibilité moyenne qui est sélectionnée.
La sensibilité maximale correspond à l’absence totale de cavalier, de façon à avoir la patte 5 isolée.
Le principe de la sensibilité concerne la capacité à détecter à une distance plus ou moins importante.
Evidemment, plus la sensibilité est élevée, plus la distance de détection de la personne sensée déclencher le système est importante.
En ce qui concerne le fonctionnement du QT110, les différentes phases sont les suivantes : Après chaque mise sous tension, et à la suite de chaque contact détecté, l’étage d’entrée se calibre, dans le sens, qu’il s’adapte à la condition trouvée.
L’opération de calibration est terminée typiquement en 10 ou 60 secondes.
Si, durant l’utilisation, la consistance de l’électrode captrice est modifiée ou bien si l’électrode subit une variation de son isolement (changement de l’humidité), après la première mise en service de la logique, la phase suivante de calibration adapte de nouveau le QT110 aux nouvelles conditions.
Sur la base de ces notions, nous pouvons voir comment fonctionne la totalité du circuit de démonstration décrit par le schéma électrique représenté dans cet article.

Figure 1 : Prestations du circuit intégré QUANTUM QT110.

- Permet de réaliser un capteur de proximité fonctionnant à travers n’importe quel diélectrique.
- Fonction d’auto-calibration permanente, aucun réglage requis.
- Temps de recalibration réglable à 10 ou 60 secondes.
- Pilote directement un buzzer pour l’accusé de réception des commandes.
- Fonctionnement avec une tension d’alimentation unique de 2,5 volts à 5 volts pour 20 μA de consommation.
- La sortie peut fonctionner en mode monostable ou bistable.
- Le gain du capteur peut être réglé à trois niveaux différents : bas, moyen et élevé.

Le capteur QUANTUM QT110

Figure 2 : Le capteur QUANTUM QT110.

Cet article décrit un circuit permettant de mettre en application de la façon la plus universelle possible, le nouveau circuit intégré, produit par la société QUANTUM (ce n’est pas la même que celle des disques durs !), une société américaine spécialisée dans les détecteurs de proximité.
Il s’agit d’un composant qui utilise les variations de capacité, en fait, de charge électrique, due à la proximité ou au contact d’un corps conducteur qui touche la terre.
En d’autres termes, l’étage d’entrée du QT110 applique une certaine quantité de charge à une électrode, puis, il surveille le moment où celle-ci est soustraite par le contact d’un objet qui ferme vers la terre le circuit ainsi créé.
Le corps soustrait la charge électrique, un peu comme dans un condensateur, où une armature serait l’électrode d’entrée du circuit intégré et où l’autre serait la piste de masse, tout ce qui se trouve entre les deux constituant un diélectrique. Ce principe de fonctionnement explique pourquoi le capteur détecte non seulement le toucher, mais aussi la proximité.
En fait, lors du fonctionnement de ce capteur, vous pourrez noter qu’il suffit seulement d’approcher un doigt de l’électrode captrice pour faire coller le relais de sortie. Il est aussi suffisant de toucher la gaine isolante d’un conducteur relié à la patte 7 du circuit ou bien un panneau derrière lequel est placée une plaque, toujours connectée à la patte 7. On peut également détecter le passage d’une personne, en disposant à terre, isolée par une planche de bois ou par un tapis en plastique ou en caoutchouc, une plaque métallique connectée à l’entrée du circuit intégré. La seule approche du pied permet une détection.
On pourrait donner de nombreux exemples d’utilisation mais chacun trouvera des dizaines d’applications possibles selon ses propres besoins.

Comment cela fonctionne ?

Figure 3 : Comment cela fonctionne ?

Pour déterminer lorsqu’un contact à lieu, donc le moment exact où il faut accepter la commande et activer le relais, le QT110 dispose d’un convertisseur A/D (analogique/digital) et d’une logique qui analyse la quantité de charge prélevée, par rapport à celle appliquée durant la phase initiale.
En interne, un seuil est imposé, qui dépend aussi de la sensibilité choisie.
Trois niveaux de sensibilité peuvent être choisis : basse, moyenne et élevée.


Figure 4 : Ces deux tableaux regroupent les caractéristiques techniques du circuit intégré QUANTUM QT110.

Figure 5 : L’entrée “P.P.” (Prox-Plate) est connectée avec du fil quelconque à une plaque métallique ou bien à l’élément à toucher pour exciter le QT110.
L’électrode peut être constituée par un simple conducteur, mais aussi par une plaquette de cuivre ou de fer, dans le cas où il faille réaliser un détecteur de passage pour des personnes ou pour des automobiles.


Figure 6 : Le circuit intégré QT110 tel qu’il est présenté par son fabricant.

Le schéma électrique
Il s’agit d’une application très universelle, qui prévoit un relais comme élément de sortie, relais, qui peut fonctionner en mode monostable ou bistable.
Le premier mode permet au relais RL1, de coller à chaque contact avec le capteur (sonnerie, ouverture de porte commandée électriquement, etc.), l’autre mode, le bistable, permet, qu’à chaque contact détecté, le relais change d’état (allumage et extinction d’une lampe, d’un appareil électroménager, etc.).
Le QT110 travaille dans une configuration classique, qui, comme vous pouvez le voir sur la figure 7, ne requiert rien d’autre qu’un condensateur et une résistance placés entre la patte 7 et la patte 6.
Tout le reste sert à sélectionner les modes de fonctionnement et à commander le relais de sortie, à l’aide de deux transistors.
Le buzzer, également placé entre les pattes 6 et 7, sert à donner la confirmation de la commande par l’intermédiaire d’un signal acoustique. Lorsque le QT110 détecte un contact ou la proximité d’une personne, il envoie une impulsion qui, en plus de charger C4, active le buzzer.
Avec le même niveau de tension, il est possible de piloter une LED.
Ceux qui le souhaitent peuvent l’ajouter en la connectant avec l’anode vers la patte 7 et en intercalant, en série, une résistance de 330 à 560 ohms, 1/4 de watt. Bien entendu, la LED peut remplacer ou s’ajouter au buzzer.
Les points L, H, M, servent pour choisir la sensibilité et ils sont donc reliés deux à deux à l’aide d’un cavalier au pas de 2,54 mm, en fonction de la sélection désirée.
Pour être précis, une liaison entre H et L détermine la sensibilité minimale, une liaison entre H et M permet d’obtenir une sensibilité moyenne.
Pour avoir la sensibilité la plus importante, il faut laisser les trois contacts L, H, M en l’air, de façon à ce que le contact H soit isolé.
Les cavaliers JP1 et JP2 permettent de décider du mode de fonctionnement de la sortie, laquelle peut fonctionner en mode monostable ou bistable ou bien de suivre l’évolution de l’entrée lorsqu’elle est dans le mode que le constructeur du circuit intégré désigne sous le vocable de “time-out”.
Ce dernier est une sorte de mécanisme de rétablissement, qui dans tous les cas de gestion de la sortie évite d’activer continuellement la patte 2, si un corps étranger décharge trop longtemps la capacité d’entrée.
Par exemple, afin d’éviter que le capteur ne passe en détection continue en raison de la présence d’humidité ou de salissures donc, afin d’éviter qu’il ne soit inhibé et ne devienne insensible aux contacts suivants qui doivent être considérés comme valides, le circuit intégré procède à la détermination du seuil en se basant sur la moyenne des lectures de la charge durant la période qui suit le temps de “time-out”.
Si, entre-temps, l’humidité disparaît ou que le contact est nettoyé, une nouvelle calibration sera effectuée automatiquement.
Donc, cet intervalle de sécurité, ce délai de garde, peut être réglé entre 10 et 60 secondes à l’aide des cavaliers JP1 et JP2.

Figure 7 : Schéma électrique du détecteur de proximité.

Figure 8 : Schéma d’implantation des composants du détecteur de proximité.

Figure 9 : Schéma d’implantation des composants du détecteur de proximité.

Figure 10 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du détecteur de proximité.

Liste des composants
R1 = 470 Ω
R2 = 15 kΩ
R3 = 2,2 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 47 kΩ
R6 = 1 MΩ
C1 = 220 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 μF 16 V électrolytique
C4 = 4,7 nF polyester
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur 78L05
U2 = Intégré QT110
LD1 = LED verte 5 mm
T1 = NPN BC547B
T2 = PNP BC557B
BZ1 = Buzzer min. pour ci
RL1 = Relais min. 12 V 1 RT pour ci

Divers :
1 Support 2 x 4 broches
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
3 x 3 picots en bande sécable
3 Cavaliers pas 2,54
1 Circuit imprimé réf. S364


Les modes de fonctionnement
Voyons, à présent, les options de paramétrage correspondantes pour le “time-out” et les modes de fonctionnement de la sortie (relais).
Le premier mode est appelé “DC-out” et, dans ce cas, la patte 2 du QT110 passe au niveau logique bas, pendant toute la durée du contact (par exemple du doigt) avec l’électrode d’entrée. En fait, pour une durée n’excédant pas le “time-out” (temps après lequel le circuit se recalibre).
Le mode “DC-out” est obtenu en fermant JP2 sur le positif (patte 3 au niveau 1 logique) d’alimentation et permet deux “time-out” différents, pouvant être sélectionnés à l’aide de JP1.
Si le cavalier est fermé dans la position “A” (patte 4 au niveau 1 logique) on dispose de 10 secondes, s’il est sur la position “B” (zéro) le temps passe à 1 minute.
Il y a ensuite le mode bistable et le mode monostable (impulsion) tous deux obtenus avec JP2, fermé à la masse (cavalier en “D”).
Dans ce cas, JP1 détermine le mode, dans le sens qu’avec JP2 en position “D”, en mettant le cavalier sur “A” on se trouve en mode monostable, en position “B” en mode bistable.
En monostable, la sortie normalement au niveau logique haut, commute à zéro pour une durée fixe (75 millisecondes), à chaque contact détecté par le capteur.
A l’inverse, en bistable, l’état change à chaque fois que l’électrode du capteur détecte un contact (sans tempo).
Dans les deux modes, le time-out est fixé à 10 secondes.
Après ce délai, comme cela a été vu pour le mode “DC-out”, si le contact demeure, le circuit intégré se bloque et se recalibre, devenant insensible jusqu’à ce que la calibration soit terminée.
La patte 2 du circuit intégré commande un relais 1 RT (1 Repos, 1 Travail), par l’intermédiaire de deux transistors qui, en plus d’inverser le niveau logique, permettent une translation de la tension.
En fait, le QT110 étant alimenté en 5 volts et la bobine du relais fonctionnant en 12 volts, T2 inverse l’état de sortie (lorsque la patte 2 passe à zéro, le collecteur du transistor présente environ 5 volts). T1 permet de gérer un circuit avec une tension supérieure, sans apporter de surtension au circuit intégré.
L’ensemble du système est alimenté avec une tension continue de 12 à 14 volts, directement aux points “+” et “–” VAL.
La diode D1 protège d’une éventuelle inversion de polarité et permet le transfert du potentiel positif sur la bobine du relais RL1.
La LED LD1 est polarisée par la résistance R1 et indique la présence de l’alimentation principale.
Le régulateur U1 permet de fournir une tension de 5 volts parfaitement stable qui sert au bon fonctionnement du QT110 (U2), alors que les condensateurs qui l’entourent permettent un filtrage de l’entrée et de la sortie.
La consommation totale du système au repos ne dépasse pas 5 milliampères.
Lorsque le relais est excité, elle atteint 40 mA.
Cette consommation permet, éventuellement, d’alimenter ce système avec des piles sèches.


Figure 11 : L’électrode captrice.

L’électrode captrice doit être connectée au circuit imprimé aux points marqués “P.P.”, par l’intermédiaire d’un fil de cuivre gainé, convenablement isolée de la terre ou des structures métalliques particulièrement importantes.
Ainsi, si la commande doit être actionnée au travers d’un panneau conducteur, isolez l’électrode à l’aide d’une feuille plastique ou caoutchouc.
La bonne sensibilité du capteur permet de protéger l’électrode en la plaçant derrière une membrane étanche, une particularité très intéressante pour ceux qui veulent installer le système dans des endroits exposés aux intempéries.

Figure 12 : Paramétrage du capteur


Le relais, prévu sur le circuit, peut réagir au contact avec l’électrode captrice en fonction du paramétrage du QT110.
Nous avons disposé deux ponts pour permettre à l’utilisateur de sélectionner le fonctionnement souhaité.
Le tableau suivant montre comment fermer JP1 et JP2 dans le cas où l’on souhaite utiliser le mode monostable, bistable ou celui qui suit le toucher (DC-out).
Dans le premier cas, le relais colle durant 75 millisecondes à chaque fois que l’électrode est touchée, dans le second cas, RL1 change d’état à chaque toucher de cette électrode.
Par contre, le mode DC-out permet au relais de suivre les variations de l’entrée, dans le sens que celui-ci est excité pour toute la durée pendant laquelle la plaque est touchée, sans toutefois pouvoir dépasser la durée maximum du “time-out” défini par JP1.

La réalisation pratique
Le circuit est entièrement réalisé sur un circuit imprimé dont vous pouvez trouver le dessin, à l’échelle 1, en figure 10.
Le circuit imprimé gravé et percé, vous pouvez commencer à souder tous les composants en vous aidant du schéma d’implantation des composants visible à la figure 8, en commençant par les résistances, les diodes au silicium, en faisant attention au sens, la cathode étant repérée par une bague.
Poursuivez par la mise en place des condensateurs non polarisés, puis des électrolytiques, en faisant, ici aussi, attention à la polarité de leurs pattes (la patte longue indique le positif).
Pour le circuit intégré QT110, il est utile de prévoir un support de 8 broches, à mettre en place avec son repère-détrompeur tourné vers le condensateur C2 (voir figure 8).
La LED est soudée de manière à ce que le méplat de son corps soit dirigé vers C1.
Pour les connexions des contacts du relais et pour l’alimentation, utilisez des borniers à vis à souder sur circuit imprimé, que vous placerez dans les emplacements qui leur sont réservés.
Les ponts JP1, JP2 et GAIN, sont réalisés avec de petites barrettes sécables à trois broches au pas de 2,54 mm.
Les cavaliers seront récupérés sur de la vieille informatique.
Pour BZ, vous devez utiliser une pastille piézo ou un buzzer 5 volts sans oscillateur.
L’entrée “P.P.” (Prox-Plate) est connectée avec du fil quelconque (pourvu qu’il comporte une gaine) à une plaque métallique ou encore à l’élément à toucher pour exciter le QT110.
Il faut préciser que l’électrode peut être constituée par un simple conducteur, mais aussi par une plaquette de cuivre, de fer ou d’aluminium.
Dans chaque cas, il est déterminant que l’électrode du capteur soit isolée de la terre à l’aide d’une plaque de bois, de verre, de plastique, de caoutchouc, etc.
Différemment, le fonctionnement sera perturbé ou bien la sensibilité sera fortement réduite.

Figure 13 : Photo d’un des prototypes entièrement équipé de ses composants.

Réglage du gain


Figure 14 : Réglage du gain.

Le circuit intégré capteur QT110 peut fonctionner avec diverses sensibilités, afin de s’adapter à des électrodes de différentes dimensions et aux différentes conditions d’utilisation.
La sensibilité du circuit capacitif doit être définie suivant le tableau ci-dessous, en positionnant convenablement le cavalier “GAIN”.

La sensibilité minimale est recommandée :
Lorsque l’on veut réaliser des interrupteurs à effleurement classiques, avec des plaques métalliques de quelques centimètres carrés ou des détecteurs de proximité avec un isolant mince (quelques dixièmes de millimètre).

La sensibilité moyenne est idéale :
Pour des contacts de dimensions moyennes et la détection de proximité avec des câbles sous gaine plastique.

La haute sensibilité est indispensable :
Si on veut mettre au point des tapis pour la détection du passage de personnes et d’automobiles, en utilisant des électrodes dont la superficie est supérieure à 500 ou 600 centimètres carrés.

0 commentaires:

Enregistrer un commentaire

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...