Пироэлектрические датчики приближения серии PL от Kemet

В настоящее время в качестве датчиков приближения используют различные типы сенсоров: оптические сенсоры, TOF-сенсоры, ультразвуковые датчики и т.д. Еще одно альтернативное решение данной задачи предлагает компания Kemet. Компактные и малопотребляющие пироэлектрические SMD-сенсоры серии PL позволяют обнаруживать нагретые объекты на расстояниях до 2 метров без линзы и до 5 метров при использовании дополнительной линзы. Внешний вид таких датчиков представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид пироэлектрических датчиков приближения серии PL от Kemet 

 Пироэлектрические датчики серии PL используют способность керамики поглощать волны инфракрасного диапазона, испускаемые человеческим телом. Поглощенная энергия преобразуется в напряжение, которое модулирует сопротивление канала полевого транзистора. Структура датчика представлена на рис. 2.

Рис. 2. Внутренняя структура датчиков приближения серии PL

С помощью сенсоров PL можно без каких-либо проблем реализовать простейший датчик присутствия без функции измерения расстояния до объекта. Для этого потребуется маломощный источник напряжения 2,0…15 В, нагрузочный резистор и компаратор. Если же необходимо измерять расстояние до объекта, то потребуется точно знать его температуру и использовать вместо компаратора усилитель. Потребление таких систем зависит в основном от напряжения питания, выбора нагрузочного резистора и потребления компаратора/усилителя. Кроме того, датчики PL оказываются чрезвычайно простыми в использовании и с конструктивной точки зрения, так как во многих случаях могут обходиться без каких-либо дополнительных линз. Собственный угол зрения PL-N823-01 составляет ±60°/ ±60° (вертикаль/ горизонталь), а радиус действия достигает 2 м.

Рис. 3. Датчики приближения PL имеют широкие углы обзора

Диаграмма направленности датчиков PL представлена на рис. 3. Очевидно, что дальность обнаружения объектов зависит не только от параметров датчика, но и от параметров объекта, в частности от геометрических размеров и температуры. Чем горячее объект относительно окружающей среды, тем лучше он виден для пироэлектрического сенсора. Например, если объект имеет температуру на 5 °С выше температуры окружающей среды, то сенсоры PL обнаружат его на расстоянии до 1,3 м. Если же Δt = 10 °С (примерно соответствует температуре человеческого тела при температуре окружающей среды 25 °С), то дистанция обнаружения увеличивается до 1,8 м.

Рис. 4. Диаграмма направленности датчиков PL

Рис. 5. Возможность обнаружения объектов определяется расстоянием до объекта, параметрами объекта, а также параметрами экрана

Большим плюсом датчиков являются компактные габаритные размеры, всего 5,0 х 4,8 х 1,7 мм, что позволяет размещать их в ультратонких устройствах даже при жестком ограничении свободного пространства.

Как уже отмечалось выше, для создания простейших датчиков присутствия на базе сенсоров PL потребуется минимум дополнительных компонентов. Однако в некоторых случаях для увеличения радиуса действия необходимо использовать дополнительную линзу. Линзу можно либо изготовить самостоятельно, либо воспользоваться готовыми модулями на базе датчиков PL (рис. 6).

Рис. 6. Модули пироэлектрических датчиков приближения со встроенным усилителем

В настоящий момент Kemet предлагает сразу четыре готовых модуля, в которых кроме датчика присутствует усилитель и его обвязка. Между собой модули отличаются типом линзы, диаграммами направленности и радиусом действия (рис. 7):

• SS-430 – базовый модуль линейки без собственной линзы. Радиус действия модуля составляет до 2 метров. SS-430 работает с диапазоном напряжений питания 3,3…5,5 В и потребляет около 800 мкА. При отсутствии объекта на выходе модуля присутствует сигнал 0 В, а при обнаружении объекта на выходе возникает сигнал 3 В. Угол обзора соответствует углам обзора исходного датчика ±60°/ ±60°.
• SS-430L-N – модуль с прозрачной линзой и увеличенным радиусом действия до 5 м. Угол обзора составляет ±37° и ±28° по горизонтали и вертикали, соответственно.
• SS-430L-BK – модуль с черной линзой и увеличенным радиусом действия до 5 м. Угол обзора составляет ±37° и ±28° по горизонтали и вертикали, соответственно.
• SS-430L-W – модуль с белой линзой и увеличенным радиусом действия до 5 м. Угол обзора составляет ±37° и ±28° по горизонтали и вертикали, соответственно.

Рис. 7. Модули отличаются типом линзы, радиусом действия и диаграммами направленности

Датчики PL и модули могут использоваться в различных приложениях:

• Бесконтактные выключатели;
• Офисное оборудование;
• Автоматизированные системы освещения;
• Кондиционеры;
• Мониторы;
• Умные туалеты;
• Оборудование для кухонь и т.д.

Рассмотрим некоторые конкретные примеры. Самым простым со схемотехнической и конструктивной точки зрения является датчик присутствия с радиусом действия до 2 м (рис. 8). Этот датчик может быть негерметичным и герметичным. В последнем случае потребуется дополнительный экран.

Рис. 8. Простейший пример бесконтактного датчика присутствия

При необходимости создания близкодействующего датчика приближения можно обойтись без линзы даже при использовании толстого экрана (рис. 9).

Рис. 9. Пример простейшего близкодействующего датчика приближения

 Если же нужно создать датчик присутствия или приближения с увеличенным радиусом действия, потребуется дополнительная линза. В таких случаях удобно использовать готовые модули SS-430L.

Рис. 10. Датчик приближения с дополнительной линзой и увеличенным радиусом действия

В качестве заключения можно еще раз отметить основные особенности и преимущества пироэлектрических датчиков серии PL: низкопрофильное SMD-исполнение, компактные габариты 5,0 х 4,8 х 1,7 мм, возможность работы без дополнительной линзы даже при наличии экрана, широкий угол обзора, высокая чувствительность, низкое потребление, простота использования.

Характеристики пироэлектрического датчика PL-N823-01:

• Угол обзора: 60° / 60°;
• Напряжение питания 2,0…15 В;
• Минимальное выходное напряжение: 550 мВ (температура источник тепла 70 °C);
• Номинальное выходное напряжение: 0,3…0,9 В (при напряжении на истоке 5 В и нагрузке на стоке 47 кОм);
• Максимальное время прогрева: 30 с;
• Шум: 140 мВ (от пика до пика);
• Диапазон рабочих температур: -40…+70 °C;
• Габариты: 5,0 х 4,8 х 1,7 мм.

Kemet – один из крупнейших производителей конденсаторов, в том числе, танталовых, пленочных и керамических. В портфолио компании также присутствуют индуктивности, актуаторы, реле и датчики (пироэлектрические датчики приближения, датчики тока и др.).