Емкостное реле: принцип работы, схемы и применение

Основные элементы схемы:

• Кварцевый генератор стабильной частоты
• Колебательный LC-контур, настроенный чуть ниже частоты генератора
• Антенна-датчик, подключенная к контуру
• Амплитудный детектор на полевом транзисторе
• Пороговое устройство
• Выходное электромагнитное реле

При приближении объекта к антенне увеличивается емкость контура, что приводит к уменьшению напряжения на нем. Это изменение регистрируется детектором и пороговым устройством, в результате чего срабатывает выходное реле.

Преимущества емкостных реле

Емкостные реле обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами датчиков:

• Бесконтактное срабатывание — нет механического износа
• Нечувствительность к загрязнениям среды
• Возможность регистрации объектов из разных материалов
• Простота конструкции и настройки
• Высокая чувствительность и быстродействие
• Возможность работы в агрессивных средах
• Низкое энергопотребление

Благодаря этим качествам емкостные реле находят широкое применение в промышленности, системах безопасности и бытовой технике.

Ограничения емкостных реле

Несмотря на преимущества, у емкостных реле есть и некоторые ограничения:

• Чувствительность к электромагнитным помехам
• Зависимость от параметров окружающей среды (влажность, температура)
• Возможность ложных срабатываний при сильных вибрациях
• Ограниченная дальность действия (обычно до 20-30 мм)
• Нелинейная зависимость выходного сигнала от расстояния до объекта

Для компенсации этих недостатков применяют экранирование, температурную компенсацию, фильтрацию сигналов и другие методы.

Перспективы развития емкостных реле

Современные тенденции в развитии емкостных реле включают:

• Миниатюризацию конструкции
• Повышение помехозащищенности
• Расширение функциональности (самодиагностика, программирование)
• Интеграцию с микроконтроллерами и сетевыми интерфейсами
• Применение новых материалов для чувствительных элементов
• Разработку многоканальных систем

Эти направления позволят расширить области применения емкостных реле и повысить их надежность.

Высокочувствительное емкостное реле

Для начинающих

ЕМКОСТНОЕ РЕЛЕ — это электронное реле, срабатывающее при изменении (как правило, увеличении) емкости между его датчиком и общим проводом.

Чувствительным узлом большинства емкостных реле является генератор электрических колебаний довольно высокой частоты (сотни килогерц и выше). Когда параллельно контуру такого генератора подключается дополнительная емкость, то либо изменяется в определенных пределах частота генератора, либо его колебания срываются вовсе. В любом случае срабатывает пороговое устройство, соединенное с генератором,— оно включает звуковой или световой сигнализатор или исполнительное устройство. Емкостное реле нередко используют для охраны различных объектов. При приближении к объекту человека реле извещает об этом охрану. Кроме того, оно находит применение в устройствах автоматики, электронных игрушках, аттракционах.

Схема емкостного сигнализатора приведена на рис. 1. Основа его генератор, выполненный на транзисторе VT1 по схеме индуктивной трехточки. Выводы катушки индуктивности L1 включены так, что между базой и эмиттером транзистора образуется обратная связь, и каскад начинает генерировать колебания переменного тока. На выводах катушки появляется переменное напряжение, частота которого зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора С2. Амплитуда генерируемых колебаний зависит от величины обратной связи. Чтобы можно было ее подбирать (а это нужно при настройке устройства), в цепь эмиттера включен переменный резистор R5.

С изменением амплитуды генерируемых колебаний изменяется и коллекторный ток транзистора VT1: с увеличением амплитуды он растет, с уменьшением — падает. Этот ток протекает через резистор R2 и эмиттерный переход транзистора VT2, создавая на них падение напряжения. Стоит сорвать колебания генератора, например закоротив выводы катушки,- и ток в цепи эмиттера транзистора VT1 резко упадет.

Рис. 1 Принципиальная схема ёмкостного сигнализатора

В результате падения напряжения на резисторе R2 и эмиттерном переходе транзистора VT2 снизится настолько, что транзистор закроется. Напряжение на его коллекторе возрастет и откроется транзистор VT3. Сработает электромагнитное реле К1. Контактами К1.1 оно зашунтирует участок коллектор —- эмиттер транзистора VT3 и перейдет в режим самоблокировки, а контактами К1.2 включит звуковой сигнализатор — генератор, собранный на транзисторе VT4, Если теперь колебания первого генератора появятся вновь, сигнализатор все равно останется включенным, и привести устройство в исходное состояние можно лишь кратковременным отключением питания выключателем SA1.

А как влияет человек на работу емкостного сигнализатора? Через резистор R1, конденсатор C1 и зажим ХТ1 к колебательному контуру подключен охранный провод (или сеть проводов, развешанных словно изгородь) — своеобразная антенна. Другой вывод контура соединен через конденсатор С4 и зажим ХТ2 с землей. При касании рукой антенны цепочка R1C1 окажется подключенной через емкость тела (на схеме С_х) параллельно контуру и уменьшит его добротность (иначе говоря, зашунтирует контур и ухудшит его качество). В результате упадет амплитуда генерируемых колебаний настолько, что сработает сигнализатор.

Можно использовать катушку и без карбонильного сердечника, но при этом уменьшится чувствительность устройства, вместо провода ПЭЛШО подойдет ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,16…0,22 мм.

Кроме указанных на схеме, подойдут другие транзисторы серии МП39 — МП42 со статическим коэффициентом передачи тока не менее 40 (можно заменить более современными кремниевыми КТ361, КТ3107) . Постоянные резисторы — MЛT-0,25, переменный — СП-1. Конденсаторы С1—СЗ — слюдяные (КСО-1 или КСО-2), С4 — бумажный (например, МБГТ), С5 — оксидный типа К50-6. Электромагнитное реле К1 — РЭС 10, паспорт РС4.524.302. Сопротивление его обмотки 630 Ом, а ток срабатывания 22 мА. Подойдет и другое реле с сопротивлением обмотки до 700 Ом и током срабатывания менее 25 мА.

Трансформатор Т1 — выходной трансформатор от малогабаритного транзисторного приемника с двухтактным усилителем низкой частоты. Динамическая головка ВА1 — 0,2 ГД-1 или другая мощностью до 0,5 Вт и сопротивлением звуковой катушки 5… 10 Ом.

Для питания емкостного сигнализатора использованы два последовательно соединенных источника напряжением по 9 В. (При использовании электромагнитного реле на 5 В, достаточно одного источника питания напряжением в 9 В.)

В качестве звукового сигнализатора может быть использован любой другой, например этот .

Часть деталей сигнализатора удобно разместить на плате (рис. 2) из изоляционного материала. Реле приклеивают к плате со стороны монтажа выводами вверх, но вполне можно обойтись без клея, использовав Для подпайки выводов реле толстый монтажный провод. Аналогично поступают и с выходным трансформатором. А вот броневой сердечник придется приклеить к плате, поскольку другие способы крепления здесь  неприемлемы.

Плату прикрепляют к передней стенке корпуса с помощью гайки крепления переменного резистора. При этом нужно следить, чтобы мон-

тажные стойки, выступающие со стороны оси переменного резистора, не мешали креплению платы, иначе их придется укоротить  или пригнуть к плате. На передней стенке корпуса размещают также зажимы, динамическую головку и выключатель питания.

Для налаживания емкостного реле понадобится миллиамперметр на 25…30 мА. Включите его в показанный на схеме разрыв цепи в точке А и замкните проволочной перемычкой выводы базы и эмиттера транзистора VT2. При включении питания стрелка миллиамперметра должна показать ток не менее тока срабатывания реле. Если ток меньше, придется точнее подобрать резистор R7, уменьшая его сопротивление, и добиться нужного тока. Чтобы на время этой операции звуковой сигнализатор не работал, отключите эмиттер транзистора VT4 от источника питания.

Далее удалите перемычку между выводами эмиттера и базы транзистора VT2 и поставьте движок переменного резистора в крайнее левое по схеме положение (сопротивление резистора полностью выведено). Стрелка миллиамперметра должна возвратиться к началу шкалы и показать ток не более 3 мА, что будет свидетельствовать о нормальной работе генератора. Этот ток можно подобрать точнее резистором R6.

Теперь пора соединить зажим ХТ1 с проводом охраны, а зажим ХТ2 — с металлическим штырем длиной 300…400 мм, воткнутым в землю. Дотрагиваясь рукой до охранного провода, плавно перемещайте движок переменного резистора вправо по схеме (поворачивайте его ручку на передней стенке по часовой стрелке). Установите его в такое положение, чтобы емкостное реле срабатывало (разрыв в точке А и цепь эмиттера транзистора VT4 нужно к этому моменту восстановить) от легкого прикосновения к проводу охраны. Тембр звучания динамической головки установите по своему вкусу подбором резистора R8.

Учтите, что емкостное реле будет надежно работать только с тем граждением, с которым его налаживали. При подключении реле к  другому заграждению вновь придется отрегулировать его чувствительность переменным резистором R5. Как уже было сказано, емкостное реле обычно содержит генератор высокой частоты, к которому подключен датчик. Такой генератор чувсствителен даже к небольшому  изменению емкости, измеряемой единицами пикофарад. Правда, он способен излучать в эфир помехи, поэтому приходится принимать меры по их ослаблению.

Иванов Б.С.

Емкостное реле — RadioRadar

В традиционных емкостных реле, например, описанном в [1], антенна-датчик подключена к колебательному LC-контуру, служащему частотоза-дающим элементом автогенератора. При этом наводки на антенну и принимаемые ею радиопомехи по цепи положительной ОС попадают на вход активного элемента генератора (например, транзистора), усиливаются им и вызывают ложные срабатывания. Кроме того, в подобных устройствах LC-контур оказывается сильно нагруженным, что снижает его добротность и дополнительно уменьшает помехоустойчивость.

Действие других емкостных реле, например, описанных в [2, 3], основано на сравнении емкости антенны и образцового конденсатора. Подобные устройства тоже не защищены от радиопомех и наводок. Их входы не имеют никаких элементов. подавляющих посторонние воздействия. Принятые помехи практически беспрепятственно поступают на вход устройства, делая его нечувствительным к слабым сигналам.

Существуют также емкостные реле, например [4], с двумя антеннами, подключенными дифференциально. Это обеспечивает устойчивость к изменению температуры и других свойств окружающей среды, но ничуть не улучшает помехоустойчивость, особенно к радиосигналам, длина волны которых сравнима с расстоянием между антеннами. Кроме того, в межантенном пространстве образуется зона пониженной чувствительности.

Принцип действия предлагаемого емкостного реле основан на использовании LC-контура, частично расстроенного относительно частоты сигнала, поступающего от генератора. Напряжение на контуре зависит от соотношения значений емкости контура и антенны. При этом контур сохраняет свои селективные свойства, благодаря которым наводки и радиопомехи подавляются. что обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость устройства. Радиопомехи и наводки не оказывают влияния на генератор, поскольку контур не является его частью.

Рис. 1

Прибор, схема которого изображена на рисунке, имеет дальность обнаружения человека не менее 1.3 м, работает от автономного источника питания (батареи) напряжением 3,2…10 В потребляя ток не более 2,6 мА.

ВЧ генератор собран на транзисторе VT7. Его частота стабипизирована кварцевым резонатором ZQ1. Сигнал генератора поступает на колебательный контур L1C16 с антенной-датчиком WA1, который должен быть настроен на частоту, лежащую немного ниже частоты генератора. Наилучшая чувствительность достигается, когда напряжение на контуре составляет 70…90 % максимума, достигаемого при резонансе. Применением конденсатора С16 с оптимальным значением ТКЕ можно добиться того, что напряжение не будет выходить за указанные пределы в широком интервале температуры

Напряжение с контура поступает на амплитудный детектор, собранный на полевом транзисторе VT10. Высокое входное сопротивление этого транзистора очень слабо шунтирует контур, что обеспечивает его высокую добротность и хорошее подавление помех. Детектирование происходит за счет работы транзистора на нелинейном начальном участке характеристики.

В цепи истока транзистора VT2 имеется двузвенный фильтр нижних частот. Он сглаживает высокочастотные пульсации продетектированного напряжения и выделяет возникающий при движении объекта вблизи антенны WA1 полезный сигнал инфранизкой частоты. Переменный резистор R31 — регулятор чувствительности реле.

С выхода детектора сигнал поступает на полосовой усилитель инфранизкой частоты на транзисторах VT2, VT5, \Л»6, VT8. Нижняя граница его полосы пропускания определяется емкостью разделительных конденсаторов С2, СЗ. С6, С8. Верхняя — параметрами цепей отрицательной обратной связи C5R.3 и C13R21.

Поскольку каскады усилителя охвачены стабилизирующей их режимы отрицательной обратной связью по постоянному напряжению через резисторы R8 и R21, не потребовалось включать стабилизирующие резисторы в цепи эмиттеров транзисторов VT5 и VT8. В усилителе инфранизкой частоты эти резисторы пришлось бы зашунти-ровать конденсаторами емкостью в десятки тысяч микрофарад.

Для ускорения переходных процессов при включении реле и быстрого приведения усилителя в рабочее состояние служат резистивные делители напряжения R1R2 и R14R12. При нажатии на кнопку SB1 они обеспечивают ускоренную зарядку разделительных конденсаторов до необходимого напряжения. После включения питания необходимо нажать на эту кнопку и удерживать ее несколько секунд.

Транзистор VT9 образует вместе с VT6 и VT8 пороговое устройство. В исходном состоянии транзистор VT9 открыт, а при уменьшении под действием усиливаемого сигнала напряжения на базе приблизительно до 0,6 В он закрывается. Цепь C18R28 удерживает устройство в таком состоянии около 5 с (при указанных на схеме номиналах ее элементов). На выходе формируется сигнал тревоги — импульс высокого логического уровня указанной длительности.

Для предотвращения подачи ложного сигнала при включении питания служит транзистор VT11. Он открыт, пока конденсатор С21 заряжается через резистор R33 и эмиттерный переход транзистора. Контакты SB 1.4 обеспечивают быструю разрядку конденсатора С21 при нажатии на кнопку SB1 и повторную блокировку сигнала тревоги на заданное время после ее отпускания.

Питается емкостное реле от гальванической или аккумуляторной батареи GB1 напряжением не более 10 В Стабилизатор напряжения на транзисторах VT1. VT3, VT4 обеспечивает на своем выходе стабильное напряжение 3 В. пока батарея не разрядится до 3,2 В. Светодиод HL1, работая в режиме стабистора, поддерживает неизменным напряжение питания усилителя сигнала рассогласования на транзисторе VT1.

Антенна-датчик WA1 представляет собой отрезок тонкого провода диаметром 0,1…0,2 мм и длиной 1___1,2 м.

Она должна быть неподвижна и закреплена вертикально. В качестве катушки L1 можно применить любую экранированную нужной индуктивности имеющую ферромагнитный подстроечник для изменения индуктивности в некоторых пределах. Я применил готовую катушку с броневым ферритовым маг-нитопроводом в алюминиевом экране размерами 11,5> 11,5×17 мм.

Конденсаторы С11, С12, С14—С17 — керамические серий KM, К10 группы МПО или М47 по ТКЕ. Остальные конденсаторы (кроме оксидных) могут быть пленочными или керамическими группы ТКЕ не хуже НЗО. Оксидные конденсаторы — любых типов. Каждую из пар оксидных полярных конденсаторов С2, СЗ и С6, С8 можно заменить одним неполярным оксидным (например, К50-15) емкостью 22 мкФ на 63 В.

Частота кварцевого резонатора ZQ1 может находиться в пределах 300… 400 кГц. При значительном отличии его частоты от указанной на схеме потребуется подборка катушки L1 и конденсатора С16.

Кнопка SB1 — П2К на четыре направления без фиксации или другая с достаточным числом групп контактов на переключение.

Включив собранный прибор, необходимо. прежде всего, подборкой резистора R11 установить на выходе стабилизатора напряжения (коллекторе транзистора VT4) напряжение 3 В. Далее отпаяйте конденсатор С17 и измерьте падение напряжения на соединенных последовательно резисторах R30 и R31. Оно должно находиться в пределах 0,5. ..0,7 В, иначе придется подбирать полевой транзистор VT10

Вернув конденсатор С17 на место, убедитесь, что падение напряжения на резисторах возросло. При настройке контура L1C16 с подключенной антенной WA1 в резонанс на частоту генератора оно должно достигнуть примерно 2,6 В Добившись максимального значения, дальнейшим ввинчиванием пол-строечника в катушку L1 отстройте контур от резонанса настолько, чтобы напряжение уменьшилось приблизительно на 0,45 В.

Если напряжение на коллекторе транзисторов VT5 и VT8 заметно отличается от указанного на схеме, нужных значений добиваются подборкой резисторов соответственно R6 и R19 Переведя движок переменного резистора R31 в нижнее по схеме положение, постепенно увеличивают введенное сопротивление подстроечного резистора R24, пока не будет подан сигнап тревоги. Затем введенное сопротивление подстроечного резистора немного уменьшают. Чем значительнее будет это уменьшение, тем меньше вероятность пожного срабатывания реле, например, при изменении температуры или разрядке батареи GB1 но ниже чувствительность Окончательно чувствительность регулируют переменным резистором R31, уже установив емкостное реле с антенной на предназначенное ему место и проверяя размеры его чувствительной зоны.

Движки подстроечных резисторов R2 и R12 устанавливают в такие положения, при которых установившиеся значения напряжения на коллекторе транзисторов VT5 и VT8 от состояния кнопки SB1 не зависят.

 Это устройство излучает в эфир сигнал, частота которого лежит в диапазоне, отведенном радионавигационнои службе. Использование подобных устройств должно быть согласовано с соответствующими государственными органами.

Литература:

1    Москвин А. Сторожевое устройство с емкостным датчиком — Радио. 2001, № 8, с. 35, 36.

2    Ершов М. Емкостный датчик — Радио 2004, №3 с. 41. 42.

3.    Галков А., Хомутов О., Якунин А. Емкостная адаптивная охранная система. Патент РФ № 2297671 С2 с приоритетом от 23.06.2005 г — Бюллетень «Изобретения Полезные модели», 2007, №11.

4.    Григорьев В., Власюк С., Амелькин С. Емкостное устройство для охранной сигнализации Патент РФ № 2277263 С1 с приоритетом от 19.10.2004 г. — Бюллетень «Изобретения Полезные модели», 2006, № 15.
 

Автор: В. Соломеин, г. Екатеринбург

Реле включения малой емкостной нагрузки

спросил 1 год, 10 месяцев назад

Изменено 3 месяца назад

Просмотрено 334 раза

\$\начало группы\$

У меня есть реле в качестве дополнительного безопасного выключателя крутящего момента для драйвера двигателя, который подает питание на МОП-транзисторы. Теперь основная емкостная нагрузка находится за реле, иначе оно будет разрушено после первого применения, но для уменьшения некоторого звона при переключении верхней стороны следует добавить конденсатор 10 — 22 мкФ (керамический) и это будет видно как емкостная нагрузка реле.

Реле следующее: https://docs.rs-online.com/5098/0

6b80fa75dd. pdf

Как определить предел емкостной нагрузки реле? Напряжение питания 48 В постоянного тока, энергия на конденсаторах 0,5CU ² = 25,3 мДж, что на первый взгляд кажется не большой проблемой, но я не уверен. В качестве окончательного решения я вижу использование резистора около 22 кОм рядом с контактами реле, который должен нагрузить реле примерно до 36 В за 0,5 с.

Что вы думаете об этом размере емкостной нагрузки?

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Ваша проблема уже рассматривалась сообществом SE: Залипание контакта реле при управлении емкостной нагрузкой

Это реле TE хороший прибор (уже б/у, но я предпочитаю Omron или Finder т.к. они лучше характеризуют свои реле), а так же Тони Стюарт сказал, что его можно надежно использовать до 1 А при 48 В. Между нами говоря, если вы ослабите ожидаемый срок службы с точки зрения количества операций (например, вы редко используете реле), то вы можете немного увеличить рабочий ток.

Как вы сказали, пусковой ток, сбрасываемый емкостной нагрузкой, может привести к залипанию контактов из-за чрезмерного нагрева. Важно рассеивание в контактах реле, для которого у нас нет значения контактного сопротивления.

Обычное решение — серия NTC или, лучше, серия индукторов. Мы не знаем времени замыкания электрического контакта (не механического срабатывания), но можем предположить что-то порядка 10-100 мкс; если он короче, индуктор будет иметь большее реактивное сопротивление, что полностью решит проблему. При 100 мкс 22 мкФ имеет значения реактивного сопротивления XC порядка нескольких ом: дроссель должен обеспечивать достаточное реактивное сопротивление XL для ограничения тока. Допустим, XL немного больше, чем XC; тогда вы получите около L = 100 мкГн. При 10 мкс XC почти исчезнет, ​​увеличивая теоретическое значение пускового тока, а XL будет в десять раз больше.

[Обновление после комментария о возможных резонансах] Если индуктор не является жизнеспособным решением, то NTC является жизнеспособным за счет некоторого рассеяния. Для громоздких более медленных бросков можно использовать вспомогательное реле для короткого замыкания демпфирующего резистора, таким образом создавая «механический NTC». — В противном случае можно использовать твердотельное реле. — Я предпочитаю механические реле с двойными контактами (т.е. реле 2-wy) и ставлю контакты параллельно: в случае асимметрии (или изначального износа одного контакта) один при нагреве видит, как его ток уходит в другой и это обеспечивает некоторую защиту.

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

диодов — Какая польза от конденсатора в этой схеме реле?

спросил 5 лет, 6 месяцев назад

Изменено 4 года назад

Просмотрено 6к раз

\$\начало группы\$

На приведенной ниже схеме показана катушка реле, питаемая от батареи 24 В постоянного тока. Параллельно катушке стоит обратный диод, а также керамический конденсатор.

Каково назначение конденсатора в этой цепи?

• конденсатор
• диоды
• реле
• обратный ход

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Этот конденсатор на самом деле не нужен, но он помогает уменьшить высокочастотные помехи и коммутационные импульсы, которые могут мешать другим схемам, работающим от того же источника питания (эта линия 24 В).