Aplikácie plošných indukčnostných senzorov a obvody pre ich riadenie

Indukčnostné senzory sú v prevažnej miere rozšírené v oblasti priemyslu a automatizácie. Výhodou indukčnostných senzorov je ich vysoká odolnosť proti znečisteniu vplyvom prostredia a schopnosť pracovať vo vysokom rozsahu teplôt. Použitie indukčnostných senzorov je perspektívne pre široké spektrum aplikácií. Od snímania prítomnosti objektov, detekcie prietoku vodivých tekutín, merania vzdialenosti, lineárnej pozície a uhla natočenia, sa použitie indukčnostných senzorov pre ich vysokú spoľahlivosť rozšírilo do oblasti rozhrania človek – zariadenie s využitím indukčnostných dotykových tlačidiel či otočných gombíkov.

V súčasnosti je dostupných množstvo špecializovaných integrovaných obvodov – prevodníkov indukčnosti na digitálny údaj (LDC) určených pre jednoduchú integráciu a realizáciu indukčnostných senzorov. Ako snímací prvok indukčnostného senzora môže slúžiť kombinácia prakticky ľubovoľnej plošnej cievky integrovanej na DPS v kombinácii s kondenzátorom, ktorých oscilačná frekvencia sa môže pohybovať v rozsahu 1 kHz do 10 MHz a ktorých ekvivalentný paralelný odpor môže byť iba 1 kΩ. Na vstupe LDC obvodov sa nachádza budiaci obvod rezonančného obvodu nasledovaný multiplexerom, ktorý prepína jednotlivé aktívne kanály a pripája ich na výpočtové jadro. Jadro meria a digitalizuje frekvenciu senzora. Na meranie frekvencie senzora možno použiť vnútorný referenčný oscilátor, v prípade vyžadovanej väčšej presnosti je možné pripojiť vonkajší oscilátor. Výstupnou hodnotou každého kanála je pomer frekvencií senzora a oscilátora. Pre konfiguráciu LDC obvodov a vysielanie digitalizovaných údajov riadiacemu procesoru sa využíva rozhranie I²C. LDC prevodníky umožňujú pripojenie 1 až 4 senzorov, pričom ich rozlíšenie sa pohybuje až do 28 bitov v závislosti od zvolenej rýchlosti prevodu indukčnosti.

Pre snímanie prítomnosti vodivých objektov či meranie vzdialenosti v rozsahu μm – mm je možné využiť integrovaný obvod LDC1614 spoločnosti Texas Instruments. Tento 4-kanálový prevodník pracuje pri napájacom napätí 2,7 V až 3,6 V. LDC1614 obsahuje jadro umožňujúce získať až 28-bitové rozlíšenie pri rýchlosti vzorkovania 38 vzoriek za sekundu, pričom senzor môže pracovať pri frekvencii v rozsahu 1 kHz až 10 MHz. Vysoký rozsah podporovanej frekvencie senzora umožňuje použitie veľmi malých cievok realizovaných na DPS, čím sa redukujú celkové náklady na snímanie a rozmery senzora. LDC1614 umožňuje snímanie predmetov vo vzdialenostiach väčších ako 20 cm, a to aj v prípade znečisteného prostredia. V režime nízkej spotreby tento prevodník spotrebuje 35 μA. Prevodník disponuje rozhraním I²C, pre svoju činnosť vyžaduje dodatočný mikropočítač. LDC1614 je dostupný v puzdre WQFN-16 s rozmermi 4 × 4 mm.

V špecifických aplikáciách s dôrazom na bezpečnosť, akými sú zabezpečovacie systémy rodinných domov či inteligentné elektromery, je možné využiť integrovaný obvod LDC0851 spoločnosti Texas Instruments. LDC0851 je induktívny spínač určený na snímanie malých vzdialeností. Diferenciálna kompenzácia induktívneho spínača LDC0851 zamedzuje neželanému zopnutiu spínača vplyvom prírodných faktorov, akými sú teplota alebo vlhkosť. Pre určenie relatívnej indukčnosti systému sa využívajú referenčná a snímacia cievka. Komparátor s výstupom push/ pull prepína výstup na nízku úroveň, keď je indukčnosť snímacej cievky nižšia ako indukčnosť referenčnej cievky a naopak, výstup sa vráti naspäť na vysokú úroveň v prípade, ak indukčnosť snímacej cievky je vyššia ako indukčnosť referenčnej cievky. Použitím polovodičového spínania možno eliminovať poruchy vplyvom jazýčkového, mechanického či kontaktného snímania. Priemerná spotreba tohto induktívneho spínača je do 20 μA pri rýchlosti vzorkovania 10 vzoriek za sekundu. Vnútorná schéma zapojenia prevodníka LDC0851 je zobrazená na obr. 1. LDC0851 je dostupný v puzdre WSON-8 s rozmermi 2 × 2 mm a možno ho prevádzkovať v širokom rozsahu teplôt od −40 °C do 125 °C.

Obr. 1 Zjednodušená schéma zapojenia obvodu LDC0851 firmy Texas Instruments

Jednou z najnovších a najzaujímavejších aplikácií pre použitie indukčnostných senzorov sú nositeľné elektronické zariadenia. Kľúčovým faktorom predaja nositeľnej elektroniky je IP rating vyjadrujúci schopnosť zariadenia odolať poškodeniu pevnými časticami či tekutinami, na základe ktorého sa posudzuje spoľahlivosť a robustnosť zariadenia. Väčšina nositeľných elektronických zariadení sa však spolieha na použitie mechanických tlačidiel vyžadujúcich výrezy v kryte zariadenia. Utesniť tieto výrezy je zložité a je pravdepodobné, že zariadenie získa nižší IP rating. Samotné použitie mechanických tlačidiel vyžaduje použitie pohyblivých častí (kovových kontaktov a tesnení), ktoré predstavujú problémy s dlhodobou spoľahlivosťou, zvýšenými nákladmi a nižšou odolnosťou proti prírodným faktorom. Presvedčivou alternatívou mechanického tlačidla je indukčnostné dotykové tlačidlo, ktoré je mechanicky robustné, neobsahuje žiadne pohyblivé časti, nevyžaduje žiadne mechanické výrezy a umožňuje hermetické zapuzdrenie. Implementácia indukčnostných tlačidiel do nositeľných zariadení je z dôvodu minimálneho počtu komponentov (cievka senzora, povrch tlačidla a prevodník LDC) jednoduchá. Zatlačením a miernou deformáciou povrchu tlačidla sa zmenší vzdialenosť medzi povrchom tlačidla a cievkou senzora, ktorú LDC vyhodnotí ako pokles indukčnosti. Odporúčaný mechanický dizajn indukčnostného tlačidla pre integráciu do hodiniek je zobrazený na obr. 2.

Obr. 2 Odporúčaný mechanický dizajn indukčnostného tlačidla pre integráciu do hodiniek

Na základe veľkosti pôsobiacej sily je možné implementovať do zariadenia množstvo funkcií. Spoločnosť Texas Instruments špeciálne pre použitie v nositeľných elektronických zariadeniach vyvinula obvod LDC2114. LDC2114 je 4-kanálový nízkošumový prevodník LDC s integrovaným algoritmom pre implementáciu do indukčnostných dotykových aplikácií. Tento prevodník dokáže spoľahlivo detegovať ohyb povrchu tlačidla menší než 200 nm. Špeciálnou požiadavkou na nositeľné zariadenia je dlhá výdrž batérie. LDC2214 je možné nakonfigurovať do režimu nízkej spotreby, ktorý zníži spotrebu prevodníka na 6 μA pri rýchlosti vzorkovania 0,625 vzoriek za sekundu. Pri použití batérie so štandardnou kapacitou 200 mAh môže byť životnosť zariadenia dlhšia než 3,5 roka. Okrem veľmi nízkej spotreby disponuje LDC2214 zabudovaným algoritmom sledujúcim zmeny prostredia, akými sú teplota, vlhkosť či starnutie jednotlivých komponentov. Princíp činnosti tohto algoritmu je znázornený na obr. 3. Kompenzovaním týchto zmien je možné dosiahnuť vyššiu spoľahlivosť nositeľných elektronických zariadení. LDC2214 disponuje rozhraním I²C, pre svoju činnosť však nevyžaduje žiadny mikropočítač. Emulácia stlačenia tlačidla je možná prostredníctvom výstupných pinov prevodníka signalizujúcich nízku/vysokú logickú úroveň, dostupných pre všetky 4 kanály tohto prevodníka. Prevodník LDC2114 je dostupný v puzdre WCSP-16 s rozmermi 1,6 × 1,6 mm, ktoré uľahčuje jeho integráciu do nositeľného zariadenia.

Obr. 3 Princíp činnosti algoritmu prevodníka LDC2114 sledujúceho zmeny teploty, vlhkosti a starnutia komponentov

Pre všetky tri spomínané prevodníky (LDC1614, LDC0851 a LDC2114) ponúka výrobca Texas Instruments vývojové dosky uľahčujúce implementáciu týchto prevodníkov do rozličných aplikácií.

K vývojovým doskám LDC1614EVM a LDC2114EVM je dostupné prehľadné grafické prostredie, ktoré uľahčuje konfiguráciu jednotlivých registrov týchto prevodníkov a umožňuje overiť si ich činnosť.