Schalten wie von Geisterhand

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1 Technisches Daenbla Ee102P Generelle Beschreibung Mi dem Ee102P erweier die EDISEN SENSOR SYSTEM GmbH & Co. KG das Einsazspekrum ihrer digialen kapaziiven Bewegungssensoren. Der anwendungsspezifische inegriere Schalkreis Ee 102P von EDISEN verfüg über einen Sensorkanal, der nach einem paenieren, rein digialen Verfahren Kapaziäen und deren Änderungen am Sensoreingang bewere. Er verfüg über einen inegrieren Spannungsregler, der aus einer Versorgungsspannung von VHI = (4,7... 9) VDC eine sabilisiere IC Beriebsspannung VDD = 4 VDC ableie. Diese kann auch zur Versorgung exerner Zusazelekroniken bei einem Srombedarf < 0,5 ma genuz werden. Bei Baeriespeisung kann der Ee102P ab VHI = 3 VDC berieben werden. Durch den Selbsabgleich beseh max. 2 s nach PowerÍON Beriebsbereischaf. Die Parameer Abasfolgefrequenz f K und Ausgangsschalverhalen TYPE ( rasend / nich rasend / MONO FLOP ) können durch Außenbeschalung fesgeleg werden. Die Empfindlichkei des Kanals kann zusäzlich durch die Größe des Speicherkondensaors CPC variier werden. Exporierbare Sensorflächen (leifähige Flächen oder Folien) sind über max. 2 m Koaxialkabel anzukoppeln und können hiner alle nichleienden Konsrukionswerksoffe gekleb und durch diese hindurch akivier werden. Dami sind erhöhe Anforderungen an Wasser- und Saubdichhei, Design- und Verschleißfreihei sowie Vandalismussicherhei besens erfüll, da jegliche Durchbrüche in den Wandungen enfallen. Das Verfahren ermöglich die Kompensaion von saischen Eingangskapaziäen C IN0 S) durch einen gegen GND geschaleen Widersand R C am Eingang des Ee102P. Zur Begrenzung der Eingangsbandbreie solle der Eingang des Ee102P mi einem Filerwidersand R F beschale werden. Durch den geringen Srombedarf von yp. 5 µa is der Ee102P für den Einsaz in baerieberiebenen Applikaionen besens geeigne. Charakerisika - verfügbar in SO8 - dynamischer Bewegungssensor - digiales Auswereverfahren - auomaische Kalibrierung max. 2 s nach PowerÍON - exporierbare Sensorfläche bis 2 m - P- MOS- Schalausgänge - µ PowerÍ Baerieberieb möglich (I B<5µA) - Ansprechzei is variabel einsellbar - variierbare Empfindlichkeien - 3 verschiedene Schalcharakerisika einsellbar - inerner Spannungsregler Applikaionen +DXVKDOWVJHUlWH wasserdiche Bedienasen, z.b. für Waschmaschinen, Kaffeemaschinen, Saubsauger, Haushalswaagen, Kühlschränke und Frieusen. $XWRPRELOH Sensoren uner Polserungen, Leder, Griffen, Maen, Bezugssoffen für die Bedienung von Innenraumbeleuchung, Klimaanlage, Radio, Sizversellung sowie Füllsandsmessungen an Flüssigkeisbehälern. *HElXGHLQVWDOODWLRQ Sensorschaler uner Tapeen und Glas für Jalousien, Eingangskonrollen, Aufzugsasauren sowie Füllsandsmessungen an Ölanks. 6DQLWlUWHFKQLN Sensorasen uner Fliesen für berührungslose Beäigung von Urinal und Toilee sowie des Wasserflusses bei Dusche, Badewanne und Waschbecken.,QIRUPaions- und Kommunikaionsechnik wasserdiche Telefonasauren und Fernbedienungen, Kombinaion mi Funkechnik $XWRPDWLVLHUXQJ Glasasauren uner exremen Umwelbedingungen *HUlWHWDVWDWXUHQ mi hermeischer Isolaion für Medizinechnik und Explosionsschuz. Besellhinweise Bezeichnung : Sensorschalkreis Ee102P Besellnummer: kapaziiver 1 Kanal - Sensor - IC im SO8 - Gehäuse Sand: 01/2005 IC Ee102P 1

2 Begriffsbesimmung saische Kapaziä C 0: Sensorkapaziä C IN0: Kapaziä, die bei Verwendung des EDISEN Verfahrens als konsan anzusehen is saische Kapaziä des Sensorelemenes Í Minimalwer C IN0 (min) = 0 pf Í Maximalwer C IN0 (max) = 200 pf (darf nich überschrien werden) inerne Eingangskapaziä C IN i: on chip Kapaziä im Eingangskreis C IN i = 7 pf (yp.) Eingangskapaziä C IN: Kapaziä, die am Eingang des IC saisch zulässig is Í Minimalwer C IN (min) = 10 pf (yp.); zur Funkion der Schalung mindesens erforderlich Í Maximalwer C IN (max) = 60 pf (yp.); darf nich überschrien werden Dynamikbereich & zulässiger Werebereich der Eingangskapaziä C IN, in dem der Sensorkanal besimmungsgemäß funkionier & & IN (max) C IN (min) = 50 pf (yp.) (gil allgemein) Eingangskapaziäsdrif & IN: Änderungen der Eingangskapaziä C IN innerhalb des Dynamikbereiches &, die bei Verwendung des EDISEN- Verfahrens nur als saische Kapaziä wirksam wird Eingangskapaziäszunahme & (min): mindesens erforderliche Änderung der Eingangskapaziä C IN, die mi einer besimmen Minimal- Änderungsgeschwindigkei &GW min einri, einen minimalen Wirkzeiraum W (min) anhäl und somi zur Ausgabe eines Schalsignals führ Wirkzeiraum W (min) : mindesens erforderlicher Zeiraum des Einwirkens von & (min) Auokalibrierfunkion: analoge Messspannung U CPC: auomaische Kompensaion aller saischen Änderungen & IN ( Drif ) der Eingangskapaziä C IN im Dynamikbereich & auf dem exernen Kondensaor CPC gespeicherer Spannungswer, der proporional zu C IN is und gleichzeiig als Kalibriersignal genuz wird Kalibrierhub 8 CPC: Berag der Änderung von U CPC nach jeder Abasung Enladesrom I E: aus U CPC abgeleiees Sellsignal zur Realisierung der Auokalibrierfunkion Enladesromhub, E: zu 8 CPC proporionale Versellung von I E Abasfrequenz f K: Anzahl der Abasungen je Zeieinhei Sand: 01/2005 IC Ee102P 2

3 Tasenanwendung mi dem Ee102P Die Parameer Abasfolgefrequenz f K, und Ausgangsschalverhalen TYPE ( rasend / nich rasend / MONO FLOP ) können durch Außenbeschalung fesgeleg werden. Die Empfindlichkei jedes Kanals kann zusäzlich durch die Größe der Sensorfläche und des Speicherkondensaors CPC variier werden. Abbildung 1 zeig ein vereinfaches Blockschalbild des Ee102P mi einer ypischen Außenbeschalung bei einer Tasenanwendung mi exporierer Sensorfläche (Ankopplung der Sensorfläche über max. 2 m Koaxialkabel). V BATT rasend 22 pf f K = 1 khz 1 µf VHI GND VDD CLIN TYPE nich rasend C TYPE MONO FLOP (2 ms/nf) Spannungsaufbereiung VHI: (4,7... 9) V DC VDD: 4 V / 0,4 ma (geregel) Tak Generaor (0, ) khz Parameer- Einhei (Schalverhalen) Sensorkanal C IN C F R C IN CPC OUT 470 nf (X7R) R F Tase Abbildung 1: Vereinfaches Blockschalbild des Ee102P mi einer ypischen Außenbeschalung Das Verfahren ermöglich die Kompensaion von saischen Eingangskapaziäen C IN0 S) durch einen gegen GND geschaleen Widersand R C am Eingang des Ee102P. Dieser übernimm während der Abasung die Enladung eines konsanen Aneils C C der Sensorkapaziä C IN, so dass dieser nich mehr vom Eingangskreis des IC- Kanals enladen werden muss. Für die Dimensionierung von R C gil: R C = 1,1 µs / C C, mi C C = C IN + C F - C IN(min). (R C aufrunden zum nächsen E48 Wer). Zur Begrenzung der Eingangsbandbreie des Sysems solle zwischen der äußeren Sensorfläche und dem IC- Eingang ein Widersand R F in Serie geschale werden. Dieser bilde dann zusammen mi der IC- inernen Eingangskapaziä C IN i und C F einen Tiefpass 1. Ordnung mi der Grenzfrequenz f G IN gemäß Gleichung 1. f G IN = [2 * 5 F * (C IN - i + C F)] -1 (Gl. 1) Diese Grenzfrequenz f G IN solle zur weieren Verbesserung der Sörsrahlungsfesigkei bei möglichs kleinen Weren liegen, d.h. R F solle so groß wie möglich gewähl werden. Andererseis wird bei größerem R F die Kapaziä C IN an der Sensorfläche särker vom IC-Eingang enkoppel, was wiederum zur Reduzierung der Sensorempfindlichkei führ. Für eine Dimensionierung von R F gil: R C x 50 kω R C + 50 kω x (C F + C INi ) R F K x C IN Bei Tasenanwendungen is K = 0,25, für Analog- Messungen gil K = 0,1. Innerhalb des Ee102P Eingangskreises sind weiere Filer wirksam. Sand: 01/2005 IC Ee102P 3

4 Abbildung 2 zeig die Prinzipschalung des Ee102P. Der dor dargeselle Zeivergleicher bewere den zeilichen Unerschied des Einreffens der digialen L Í H Ausgangsschalflanken des Eingangskomparaors und der Referenzzeisufe. Sobald dieser Unerschied > 40 ps wird, gib er ein eindeuiges Vergleichsergebnis aus. Sensorfläche C 0 Ee102P U 0 f K Tak- Generaor CLIN f s C CLIN C IN=C o+c Kabel REF U SW E < REF Zei- Vergleicher Auswere- Sufe Ausgangs- Sufe OUT C Kabel R F IN R IN i # E > REF + R C C F C IN i I E U CPC I E Umsezung Ladungs- Pumpe - CPC TYPE CPC Abbildung 2: Prinzipschalung des Ee102P Das beim Ee102P verwendee Verfahren der C Í Transformaion basier auf folgender Transformaionsvorschrif: E = ( SW 0) = C 0 * (U 0 U SW) / I E (Gl. 2) ( E = Zei für die Enladung von C 0 mi einem Konsansrom I E von einer Sarspannung U 0 bis zu einem Schwellwer U SW) Die Enladezei E als Maß für die Eingangskapaziä C IN wird bei jeder Abasung (= C 0 Enladung) mi einer konsanen Referenzzei REF V verglichen. Dieser Vergleich kann nur zwei unerschiedliche, rein qualiaive Vergleichsergebnisse liefern, über das absolue Maß des Zeiunerschiedes wird keine Aussage gemach. Vergleichsergebnisse: a) E > REF oder b) E < REF Über einen Regelkreis mi dem Sollwer E = REF wird das Vergleichsergebnis nach jeder Abasung in eine beragsmäßig konsane Versellung, E (~ 8a&3& des Enlade - Konsansroms I E umgesez, um E sändig an REF anzugleichen. Liefer der Vergleich von E und REF genau 63 mal in Folge das Ergebnis E > REF, dann wird bei Tasenanwendungen ein Schalsignal ausgegeben. Da die Parameer Enladesromhub, E, Abasfrequenz f K und Ausgangsschalverhalen TYPE durch Außenbeschalung variier werden können, läss sich der Ee102P an verschiedene Applikaionen bei geringem Aufwand anpassen. Für die Dimensionierung von C CLK zur Feslegung von f K gil: f K = (300µs + 33µs/pF - C CLIN ) Sand: 01/2005 IC Ee102P 4

5 Ausgangsschalverhalen bei Tasen-Anwendungen Wird der Pin TYPE des Ee102P mi GND verbunden, is das Ausgangsschalverhalen nichrasende Tase eingesell. Die Verbindung von Pin TYPE des Ee102P mi VDD realisier das Ausgangsschalverhalen rasende Tase. Wird der Pin TYPE über einen Kondensaor mi GND verbunden, is das Ausgangsschalverhalen MONO- FLOP eingesell.. Bei Anschalung eines Kondensaors C TYPE gegen GND wird beim Ausgangsschalverhalen MONO- FLOP die Halezei H ensprechend der Kapaziä von C TYPE gemäß Gleichung 3 verlänger. H = 3 ms/nf * C TYPE (Gl. 3) Bei den Ausgangsschalcharakerisika rasende Tase und MONO-FLOP bewere die Sensorelekronik nur die Kapaziäszunahme & und deren Änderungsgeschwindigkei &GW. Beim Schalverhalen rasende Tase führ jede gülige Beäigung an der Sensorfläche zum bisabilen Umschalen des Ausgangs. Beim Schalverhalen MONO-FLOP führ jede gülige Beäigung zum Einschalen des Ausgangs. Während der Halezei H is ein Nachriggern des akivieren Sensorkanals zur Halezeiverlängerung nich möglich. Beim Schalverhalen nichrasende Tase wird zur Akivierung des Schalausgangs die Kapaziäszunahme & an der Sensorfläche und deren Änderungsgeschwindigkei &GW bewere. Zu dessen Deakivierung wird hingegen die Kapaziäsabnahme - & an der Sensorfläche und deren Änderungsgeschwindigkei - &GW bewere. Lezeres erfolg mi vierfacher Empfindlichkei im Vergleich zur Akivierungsbewerung, dami die Sensorase bei Kapaziäsabnahme sicher abschale. Tabelle 2 gib einen Überblick zu den Funkionaliäen der 3 Ausgangsschalcharakerisika. Nach dem Zuschalen der Versorgungsspannung U B is der P- MOS- open- drain Ausgang OUT des Ee102P inakiv (=GND). Eine inerne Konsansromsenke nach GND ermöglich ein direkes Anseuern von CMOS- Eingängen. Beschalung des IC- Pin s TYPE Ausgangsschalverhalen Halezei H des Ausgangssignals OUT fon=0,25 f OFF GND nich rasend n) bis nach (- n) VDD rasend n (n+1)) C TYPE gegen GND MONO-FLOP OUT = ON nach (+ C n) für H = 2 ms/nf * C TYPE + H0 Tabelle 2: Ausgangsschalverhalen Abbildung 4 zeig ein Timing Diagramm für die drei Ausgangsschalcharakerisika, das die o.g. Bedienszenarien grafisch veranschaulich. C C 0 OUT (nich rasend) OUT (rasend) OUT (MONO-FLOP) H = 2 ms/nf * C TYPE H = 2 ms/nf * C TYPE H = 2 ms/nf * C TYPE + min + min + min Abbildung 4: Timing Diagramm der Ausgangsschalcharakerisika des Ee102P In dieser Konfiguraion wird der zeiliche Verlauf der dynamischen Kapaziä & am IC Eingang bewere. Dabei spiel der Wer der wirksamen saischen Eingangskapaziä C 0 innerhalb des Dynamikbereiches & keine Rolle, da diese durch die Auokalibrierfunkion des IC`s kompensier wird. Da der IC auf diesen Anwendungsbereich hin opimier is, werden ypische menschliche Bedienhandlungen an einer Sensorfläche, die zu ensprechenden dynamischen Kapaziäen & führen, sicher erkann. Sand: 01/2005 IC Ee102P 5

6 Gehäuseabmessungen SO8 mi 8 Pins Masse min max (max)* A 1,35 1,75 D 4,80 5,00 5,30 E 3,80 4,00 4,50 H 5,80 6,20 e 1,27 (yp) * inkl. Grae Sand: 01/2005 IC Ee102P 6

7 + Schalen wie von Geiserhand Technische Daen des Ee102P Gehäuse und Anschlussbelegung Der Ee102P wird im Sandard SMT Gehäuse SO 8 geliefer. Pin Name I/O Beschreibung 1 IN I Eingang Tasereinhei 2 TYPE I Ausgangsberiebsar-Einsellung 3 CPC Speicherkondensaor 4 GND Negaive Spannungsversorgung 5 VHI Posiive Versorgungsspannung, 9V max. 6 OUT O Schal-Ausgang 7 CLIN Oszillaor-Kapaziä 8 VDD Geregele Spannung 4V, Süzkondensaor- Anschluß IN TYPE CPC GND VDD CLIN OUT VHI Absolue Grenzwere und ESD Schuz Name Parameer Min. Max. Einhei VHI posiive Versorgungsspannung - 0,5 9,0 V IN, TYPE, CPC Eingangsspannung - 0,5 4,5 V OUT Ausgangssrom ma I VSS Toalsrom an GND ma I Pin Srom durch beliebigen IC Pin ma P TOT Verlusleisung 100 mw T STG Lageremperaur C Alle Pin`s des Ee102P sind inern gegen ESD bis 3 kv geschüz (nach HBM), weiergehende Schuzmaßnahmen sind exern zu realisieren. DC Eigenschafen Bedingungen: VHI = 6 VDC; 25 C, außer wenn anders angegeben Name Parameer Bedingungen Min Typ Max Einhei posiive VDD Regler akiv 4,7 VHI 6 9 V Versorgungsspannung Baeriespeisung 3 VDD geregele IC-Beriebsspannung 4,7 V VDD Regler akiv 3,4 4 4,6 V Dropou-Spannung des Reglers (VHI VDD) bei inakivem Regler VHI < 4,7 V mv I HI IC Beriebssrom Ausgang = OFF / f X= 1 khz 5 µa I OUT Ausgangssperrsrom Inerne Konsansromsenke nach GND 0,1 µa V OUT Ausgangssperrspannung Pull-up-Spannung 0 VHI 9 V I FOUT Ausgangssrom Nuzbereich (P-MOS) ma Überlasabschalung bei V FOUT 0,6 V ma V FOUT Ausgangssäigungsspannung bei I OUT = + 10 ma 0,1 0,2 0,4 V C VDD ex. VDD - Süzkondensaor vorzugsweise SMT Keramik Chip C`s verwenden 0,1 2,2 µf V CPC Speicherspannung linearer Regelbereich 0,8 VDD-1 V I LCPC Lecksrom CPC na T AMB Beriebsemperaurbereich C AC Eigenschafen Bedingungen: VHI = 6 VDC; C CLIN = 22 pf; C CPC= 470 nf,t AMB = 25 C, außer wenn anders angegeben Name Parameer Bedingungen Min Typ Max Einhei C CLIN Oszillaorkondensaor Nuzbereich pf C CPC ex. Speicherkondensaor X7R Keramik Chipkondensaor nf A D Auflösung äquivalene digiale Auflösung 14 Bi C MONO Monoflop Kondensaor Nuzbereich 0,1 500 nf Minimalkapaziä 10 pf C IN Inpukapaziä Maximalkapaziä 60 pf R DS-ON PMOS-Widersand inerner Pull-up am INPUT 500 Ω TA Ladeimpuls Inpu pro Abasung 1,4 2 3,5 µs IN DIS Enladezei Inpukapaziä pro Abasung 0,5 1 2 µs wai Warezei bis Schalbereischaf 0,5 2 s MONO Ausgangsimpuls Beriebsar Mono-Flop 1,3 2 3 ms/nf fx Abasfrequenz f X= (300 µs + 33 µs/pf * C CLIN) -1 1 khz bei C CLIN= 100 pf 275 Hz bei C CLIN= 0 3,3 khz H FM Abasfrequenz-Modulaions- pseudo-zufällig 32 Were % Hub SW Reakionszei bei fx=1khz 64 ms Sand: 01/2005 IC Ee102P 7