Pojemnościowe przełączniki dotykowe

Pojemnościowe przełączniki dotykowe, choć są znane inżynierom od lat, dopiero niedawno stały się realną alternatywą dla mechanicznych przycisków stosowanych w elektronice użytkowej. Głównym tego powodem był postęp w technologii programowalnych układów scalonych łączących w jednym elemencie układy analogowe i cyfrowe.

Typowe pojemnościowe przyciski dotykowe można przełączyć, zbliżając do nich palec na odległość mniejszą niż 3mm. Przy większych dystansach, na przykład w sytuacji, gdy pożądane jest, aby przycisk był umieszczony za grubą szybą, wykrycie faktycznego zbliżenia palca staje się problematyczne. W celu demonstracji stanu dzisiejszej technologii w artykule zostanie zaprezentowana konstrukcja przełącznika działającego przez taflę szkła o grubości 10mm. Wybór ten nie jest przypadkowy, gdyż szkło jest materiałem często wykorzystywanym w aplikacjach z tego typu przyciskami, np. w urządzeniach gospodarstwa domowego.

Podstawy fizyczne

Rys. 1. Widok poduszki przełącznika z góry

Działanie przełączników pojemnościowych oparte jest na zjawisku oddziaływania pola elektrycznego z przewodnikami, w szczególności z ciałem ludzkim, które jest wypełnione przewodzącymi elektrolitami i otoczone warstwą stratnego dielektryka – skóry. Elementem elektronicznym, który wytwarza pole elektryczne jest oczywiście kondensator i tak jak w każdym kondensatorze część pola wychodzi na zewnątrz okładek. Pole to jest nazywane polem brzegowym. Układ okładek w przełączniku dotykowym zaprojektowany jest tak, aby pole to było jak największe i skierowane do obszaru dostępnego dla palca użytkownika. Można zauważyć, że kondensator z równoległymi okładkami nie jest w tym przypadku dobrą konstrukcją, gdyż pole brzegowe jest w nim znikome.

Palec znajdujący się w brzegowym polu elektrycznym wprowadza do układu pewną pojemność, która nazywana jest pojemnością dotykową (CD). Pojemność przełącznika bez obecności palca w polu brzegowym określana jest mianem pojemności własnej (CP). Powszechnie panujące mniemanie, że do prawidłowej pracy przełączników pojemnościowych palec musi być uziemiony, jest błędne. Obecność palca jest wykrywana w polu brzegowym, ponieważ może on magazynować ładunek, a na ten fakt nie ma wpływu jego ewentualne uziemienie.

Nietypowy kondensator

Rys. 2. Przekrój poprzeczny przełącznika

Rys. 3. Obwód generatora relaksacyjnego

Jednym z rozwiązań pojemnościowego przełącznika dotykowego jest kondensator przedstawiony na rysunku 1. Œrednica poduszki przycisku tego przełącznika wynosi 10mm, co jest średnim rozmiarem opuszki palca dorosłego człowieka. Masa znajduje się również po wierzchniej stronie płytki, przez co układ poduszka–masa można traktować jako kondensator, w którym duża część energii magazynowana jest nad powierzchnią płytki. Poduszka odizolowana jest od masy szczeliną w kształcie pierścienia, przy czym szerokość tej szczeliny jest ważnym parametrem konstrukcyjnym. Jeśli jest ona zbyt mała, zdecydowana większość energii pola elektrycznego „ucieka” wprost do masy. Jeśli natomiast jest ona zbyt duża, niemożliwe staje się kontrolowanie rozkładu brzegowego pola elektrycznego. Dlatego dla rozważanej powłoki szklanej o grubości 10mm szczelina ta powinna mieć szerokość około 0,5mm. Poduszka przycisku połączona jest ze ścieżką po spodniej stronie płytki za pomocą przelotki, tak jak to zostało przedstawione na rysunku 2.

Indukcja elektryczna w materiale określona jest przez stałą dielektryczną er. Dla zwykłego szkła okiennego er wynosi około 8, przy czym dla płytki PCB typu FR4 er wynosi około 4. Z kolei szkło pyreksowe, które jest powszechnie stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego, charakteryzuje się er na poziomie około 5. W omawianym projekcie zastosowane zostało zwykłe szkło okienne.

Konstrukcja układu

Rys. 4. Schemat układu przełącznika

Układ sterujący pojemnościowym przełącznikiem dotykowym składa się z programowalnego źródła prądowego, analogowego komparatora oraz multipleksera analogowego przetwarzającego sygnały z kilku przycisków. Elementy te tworzą obwód generatora relaksacyjnego, którego schemat przedstawiono na rysunku 3. Wyjście komparatora podłączone jest w tym układzie do układu modulatora szerokości impulsów (PWM), który bramkuje 16-bitowy licznik taktowany z częstotliwością 24MHz.

Zbliżenie palca do przycisku zwiększa pojemność układu, przez co dłużej się ona ładuje. Umożliwia to licznikowi zliczenie większej liczby taktów zegara, na podstawie czego wykrywane jest przyciśnięcie przełącznika (rys. 4). Do sterowania wykorzystany został układ CY8C21x34 typu Programmable System-on-chip (PSoC) firmy Cypress, który zawiera w jednej obudowie zarówno analogowe, jak i cyfrowe bloki funkcjonalne. W celu zapewnienia komunikacji z komputerem poprzez port szeregowy konieczne jest zastosowanie dodatkowo np. popularnego układu MAX232. W ten sposób dane z układu przełączników mogą być przesyłane do komputera z maksymalną prędkością 115kbit/s. Wyprowadzenia SCL i SCA służą do programowania układu.

Rys. 5. Wykres liczby zliczeń w czasie po usunięciu poziomu odniesienia, uwzględniono progi

Rys. 6. Zmierzona charakterystyka działania układu przez 10mm powłokę szklaną

Działanie układu w teorii...

Przyciski pokazane na rysunku 4 odpytywane są sekwencyjnie. Liczba zliczonych taktów zegara dla każdego z nich przechowywana jest w tablicy, ponadto śledzony jest tzw. poziom odniesienia zliczeń. Jest to średnia liczba zliczeń, liczona dla każdego przycisku oddzielnie. Jest ona okresowo obliczana przez programowy filtr NOI, a częstotliwość aktualizowania danych dla filtru jest programowalna.

Śledzenie poziomu odniesienia zliczeń umożliwia dostosowywanie się układu do zmian różnych parametrów środowiskowych (przede wszystkim temperatury), które powodują dryft poziomu odniesienia zliczeń w czasie. Służy do tego tzw. tablica różnicowa przełączników (switch-difference array), w której przechowywane są liczby zliczeń dla każdego przycisku po odjęciu poziomu odniesienia. Na podstawie tej tablicy określany jest stan przełącznika – włączony lub wyłączony (ON/OFF). Zaimplementowana w układzie PSoC charakterystyka przełączania przycisku ma kształt histerezy. Zapewnia to jednoznaczne przejścia pomiędzy stanami ON i OFF, nawet w sytuacji zaszumienia sygnału liczby zliczeń. Dolny próg histerezy zwany jest progiem szumu, natomiast górny – progiem dotykowym. Odpowiednie ustawienie poziomów tych progów jest krytycznym czynnikiem działania systemu. Jest to szczególnie istotne przy grubych powłokach pokrywających przełącznik, kiedy to stosunek sygnału do szumu jest niski. Na rysunku 5 przedstawiony jest wyidealizowany (nieuwzględniający szumu) wykres liczby zliczeń przy trzysekundowym przyciśnięciu przycisku. Poziom szumu ustawiony jest na 10, natomiast poziom dotykowy na 60 zliczeń.

Do prawidłowego działania układu konieczny jest również odpowiedni wybór wartości prądu źródła prądowego i częstotliwości pracy generatora. Prąd źródła wynosi domyślnie około 14µA, a czas pomiaru pojemności pojedynczego przycisku wynosi 500ms. Z analizy tablicy liczby zliczeń i tablicy różnicowej przełączników można wywnioskować, że każdy przycisk posiada pojemność własną (CP) około15pF i pojemność dotykową (CF) około 0,5pF. Przyciśnięcie przełącznika zmienia zatem całkowitą pojemność układu o około 3%.

... i w praktyce

Zmierzona charakterystyka działania układu pokazana jest na rysunku 6. Podobnie jak na rysunku poprzednim, przycisk znajdował się pod taflą szkła o grubości 10mm i był przyciśnięty palcem przez 3 sekundy. Jak widać, nawet w przypadku tak grubej powłoki powodującej mocne zaszumienie sygnału możliwe jest bezbłędne rozpoznanie przejść pomiędzy stanami. Warto zauważyć, że progi szumu i dotykowy są okresowo korygowane, w miarę dryftu poziomu odniesienia. Po przyciśnięciu przycisku są one jednak blokowane do momentu cofnięcia palca.

Dlaczego pojemnościowe są lepsze?

Podstawową przewagą pojemnościowych przełączników dotykowych nad ich mechanicznymi odpowiednikami jest fakt, że nie zużywają się one w czasie ich eksploatacji. Jednak dopiero postęp ostatnich lat w dziedzinie przetwarzania sygnałów znacznie zmniejszył ich koszt oraz zwiększył ich czułość i niezawodność. Z tego powodu stosowanie pojemnościowych przełączników dotykowych w urządzeniach codziennego użytku staje się dla ich producentów coraz bardziej kuszącą alternatywą w stosunku do przycisków mechanicznych.

Karol Flont