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电容感应式触摸开关的应用设计

来源:    作者:    发布时间:2014-11-29 16:01:12    浏览量:

机械开关比较容大电流电感易磨损,甚至磨坏产品外壳,导致缺口或裂口处侵入污染物。电容式传感器就不会发生损坏产品外壳的情况,也不会出现缺口粘连物,更不会出现磨损。因此,采用这种技术的开关器件是替代多种机械开关产品的理想选择。

4.对开关灵敏度的影响

光有一个触摸感应开关是不能使用的,除非系统能可靠测定开关所处的状态。使用机械开关来实现电气连接是没问题的,如果机械开关能合理地连接,那么能正确地决定开或关的状态。使用感应触摸开关时,开关所处的状态有时很难明显界定。

扁平型电感电容感应式触摸开关在实际应用时,可能会出现:当使用者的手指在碰到触摸开关时,触摸感应开关端的电容还没有充分地充电而手指已经离开了触摸点,那这时开关的状态处于何种状态呢?因此当手指碰触时,为了增加检测开关的可靠性,使电容充电最佳化,下列几项内容对充电电容的性能参数影响较大。

(1)尺寸、形状和在PCB上的开关放置位置。

(2)连接在PCB和使用者手指之间的材料。

(3)连接到开关与MCU之间连线参数。

上述这些条件,对触摸式感应开关的灵敏度都有直接的影响,因此必须正确设计感应开关。

5.触摸感应开关的PCB图形

为了获得“开关电容PCB图形”,下图给出了触摸感应开关的12种PCB设计图形。这些感应开关具有不同的形状与尺寸,我们将其排列成三列(A~C)、四行(1~4),其中A列与C列的尺寸是20mmX20mm,B列的尺寸是15mmX15mm.

A列与B列具有不同的尺寸,但是走线和距离是相同的;B列与C列也具有不同的尺寸,但是它们的走线和间隔是按比例增加的。下表给出了不同尺寸与不同形状的PCB图形具有不同的感应电容值。对于触摸感应式开关来说,一个好的开关应具有好的灵敏性和高的感应电容值,因为这样电感器出口可将走线的寄生电容与电感的影响降到最低,对开关的影响最小。

比较下图与下表中数据可知,A列与C列的PCB图尺寸相同,但电容量却不同,这是因为在A列与C列的PCB图形中,在相同的20mm×20mm外框包围中其内部的走线密度不同所致。比较A列与B列可知,其感应电容量不同是由于其尺寸不同所致。

在设计触摸感应开关电容时需要考虑两个主要因素,一个是开关电容的尺寸,另一个是其形状,当然与触摸开关上面连接的材料特性与厚度也有关系。

6.不同材料的影响

在许多产品中,PCB上的开关不能直接被使用者触摸到。从美观与对电路板的保护角度考虑,通常在PCB与使用者之间会隔着一层塑料或玻璃制品。

下表给出了在感应开关与使用手指之间采用不同材料、不同厚度对感应电容影响的百分比。

从下表中可知,在PCB与用户手指之间放置不同材料,对感应电容影响效果是明显的,因此在设计该类产品时,我们可以按照下面的设计规则。

(1)开关图形的设计。无论在静态与动态时,上图中的第4行、第4列展示出最好的电容特性,不但图形设计容易,而且开关特性安全可靠。

(2)为了使PCB与手指间的感应电容改变最小,需要使用最薄的材料。

(3)为了使触摸开关具有绝对的电容量,所使用的材料需要具有更高的介电常数。

相对于在开关与其他电容之间的更高电容值,例如,走线或其他电容,在静态或动态时,MCU能直接检测到电容量的改变。

7.走线长度

另外一个重要因素是连接在触摸开关与MCU之间走线的长度对开关的影响作用。

走线越长对开关的寄生电容效用越明显,过大的寄生电容会使开关不能正常工作。如果寄生电容太大,当手指与触摸开关接触时,过大的寄生电容使MCU不能检测到开关状态的变化。通常,根据不同的开关图形与所用的材料不同,触摸开关感应电容一般控制在2~15pF之间是比较合理的。

在设计触摸感应开关系统时,一个比较安全的准则是感应电容量改变0.5%时,MCU能检测到。必须仔细检查触摸开关PCB图形与走线,将感应电容设计到最小,因此,当手指碰触时典型的电容改变量控制在总电容量的0.5%.

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