Наводки на датчик движения

Борьба с наводками от передающих антенн на инфракрасный датчик движения

Постановка задачи

Инфракрасные датчики движения широко применяются в быту. Эта удобная и недорогая штука реагирует с расстояния нескольких метров на небольшие изменения температуры и движение теплых объектов (чаще всего – людей).

Эти датчики используются в качестве автоматических выключателей в проходных помещениях и на улице. Удобно чтобы при входе в коридор, на свой участок или приближении к дому свет включался сам и горел еще некоторое время, устанавливаемое на датчике (к слову, часто бывает удобно параллельно контактам реле датчика присоединить обычный клавишный выключатель для включения освещения вручную и на долгое время).

Работают такие датчики довольно устойчиво. Хотя случаются ложные срабатывания на дым от костра, рои насекомых, свет фар движущегося автомобиля и даже клубы теплого воздуха, поднимающегося от земли при похолодании. Но это случается редко и почти не мешает.

Но картина меняется к худшему когда радиолюбитель разместит рядом свою передающую антенну. И даже не совсем рядом, а метрах в 10...20. Датчик движения такого соседства не выдерживает и начинает сбоить.

Днём это не проявляется, т.к. включение нагрузки блокировано фоторезистором уровня освещенности. А вот в темное время датчик движения срабатывает при каждом выходе в эфир. Причем при мощности отнюдь не большой. 20...50 Ватт на 1,8 и 3,5 MHz в диполе на расстоянии 10...15 м от датчика вполне достаточно.

В принципе, на это можно не обращать внимания. Если нет соседей, нервно реагирующих на хаотично включающийся ночью свет у вас на участке. И если датчик управляет обычной лампочкой накаливания.

Но ситуация становится нетерпимой если соседи приходят с вопросом что там происходит у вас ночью и/или датчик включает LED прожектор с импульсным драйвером без фильтров, убивающий помехами ваш приём. Тогда надо повышать устойчивость датчика движения к радиопомехам от наших антенн. Этим мы и займемся ниже.

Изучение

Простейшие методы, вроде поставки на входящие в датчик провода ферритовой защелки и блокировочного конденсатора по общему питанию, не дали никакого эффекта. Поэтому проблему пришлось изучать глубже.

Несмотря на большое внешнее разнообразие, датчики движения устроены, в принципе, однотипно: бестрансформаторная схема питания на 10...15 В с гасящим конденсатором, силовое реле для включения нагрузки и плата электроники.

На входе последней установлен трехвыводный чувствительный элемент - пиросенсор, по виду напоминающий старый транзистор в корпусе. Его входное окошко прикрыто черным инфракрасным фильтром. Пиросенсор реагирует на небольшие изменения температуры и\или перемещение теплых объектов в его поле зрения. Например, на движение человека.

Электрически пиросенсор представляет собой керамический чувствительный элемент и истоковый повторитель в одном корпусе (примерно как электретный микрофон). И как электретный микрофон он и подключается к схеме: корпус, питание и выход. На выходе пиродатчика имеется постоянное напряжение 1..2 В (выход истокового повторителя), которое дергается на 50...100 uV при перемещении человека в поле зрения датчика. Длина этого импульса 0,5 ... 1 c.

В технических характеристиках сенсора сразу видна первая вероятная причина повышенной чувствительности к радиопомехам: полезный рабочий сигнал очень мал, всего 50...100 uV. А передающая антенна на расстоянии 10...15 м вполне может создать напряженность поля 5....15 В/м (см. рис. 1.1.1 в этой статье). А если это её ближняя зона (а в диапазонах 160 и 80 м это именно так), то напряженность поля будет выше указанных цифр в несколько раз (ближняя зона резонансна и в ней имеется колебательный процесс, увеличивающий напряженность в добротность антенны раз). Да и по нормам FCC безопасная для населения напряженность поля на 1,8 МГц составляет 450 В/м.

Приняв (примерно) размеры выводов пиродатчика 2 см (1/50 метра), получим, что наводка на него от нашей антенны может быть почти в миллион (!) раз выше полезного сигнала.

Конечно, наша частота (1,8 МГц) выше рабочей частоты датчика (1 ... 2 Гц) в миллион раз. Но миллион там и там в сумме дают единицу. Т.е. даже при грамотных ВЧ фильтрах помеха получится сопоставимой с полезным сигналом. Так это при грамотных и высокочастотных фильтрах c конденсаторами с малой паразитной индуктивностью на высоких частотах. А в датчике движения для фильтрации стоят обычные электролитические конденсаторы (для блокировки ВЧ вообще малопригодные) и ширпотребовские керамические с выводами (блокировка более-менее прилична, но не идеальна).

Нельзя сказать, что производители датчиков движения о устойчивости к радиопомехам не подумали. Они подумали. И написали в инструкции: "Не применять там где имеются передающие антенны". Но нам-то надо применять именно там: на даче и в своем доме нужны и датчики движения и наши передающие антенны.

Решение

Посмотрим еще раз внимательно в каталог серьезного производителя пиросенсоров. И найдем, что выпускается модификация пиросенсоров с повышенной устойчивостью к радиопомехам. И отличается она от обычной только тем, что внутри самого пиросенсора установлены два SMD конденсатора по 0,1 мкФ (между питанием и землей, и между выходом и землей).

Но это у серьезных производителей. А у нас китайский noname, где такими изысками не озабачиваются. А мы озаботимся. Разбирать корпус пиросенсора мы, конечно, не будем. Но вполне сможем припаять два конденсатора по 0,1 мкФ (лучше SMD, но можно и обычные с предельно короткими (2..3 мм) выводами) прямо на выводы пиросенсора, максимально близко к его корпусу (для это придется сначала выпаять пиросенсор из платы и затем, после установки конденсаторов вернуть его обратно).

Эта мера дала некоторый эффект: датчик движения стал включаться при вдвое более высокой мощности передатчика, чем раньше. Но все равно это происходило при мощности меньше 100 Вт, т.е. установленные на пиросенсоре конденсаторы это правильно, но недостаточно.

 

Посмотрим на схему датчика движения. Они все разные, но узел усиления сигнала пиродатчика почти одинаков везде. Это два какскада на операционных усилителях (ОУ), с коэффициентом усиления 100 ... 200 каждый. То есть суммарное усиление составляет 10 ... 40 тыс. Это много. Очень много.

Допустим, сигнал с пиросенсора пришел совершенно чистый. Но усилитель с коэффициентом усиления в десятки тысяч, размещенный на не экранированной плате, разведенной без учета требований к ВЧ монтажу, не подвержен радиопомехе быть не может.

Ведь любой, самый простой и дешевый операционный усилитель имеет частоту единичного усиления, исчисляемую мегагерцами, т.е. в принципе способен усиливать или не слишком ослаблять - в нашем случае это всё равно) радиочастотную наводку.

Конечно, схему усилителей имеют элементы частотной фильтрации. Но они явно недостаточны для работы под антенной. Рассмотрим схему первого каскада усиления датчика движения (у вас она будет не точно такой же, но аналогичной). Она приведена на следующем рисунке (оригинальные элементы показаны черным).

Основной элемент, заваливающий АЧХ усилителя это конденсатор 0,1 мкФ в цепи обратной связи. Учитывая, что он стоит параллельно резистору с сопротивлением больше мегаома, фильтрация ВЧ этим конденсатором казалось бы должна быть значительной. Но это именно казалось бы.

Даже если этот конденсатор идеален и обеспечивает чистое короткое замыкание на высокой частоте, то усилитель переходит в режим повторителя с единичным коэффициентом усиления. А ниже единицы усиление не падает. То есть это фильтр снижающий усиление со 150 до 1, но не ниже. А нам надо ослабление намного больше 150: помехи измеряются сотнями милливольт (это уже другие помехи, не от пиросенсора, а наловленные дорожками печатной платы), а полезный сигнала в тысячи раз меньше. Значит ослабление нам требуется заметно больше, чем несколько тысяч (помеху надо подавить, чтобы она стала бы намного меньше сигнала).

Конденсатор в 1 нФ, включенный между входами ОУ во-первых слишком мал для сколь-нибудь заметной фильтрации. А во-вторых, при единичном усилении он точно также неэффективен, как и конденсатор в обратной связи.

В общем, надо сделать так, чтобы рассматриваемый каскад снижал свой коэффициент усиления по ВЧ не в сотни (как в исходном варианте), а десятки тысяч раз. т.е. чтобы он сильно подавлял радиочастотные сигналы, а не работа бы для них повторителем. Кроме того необходимо, чтобы усилитель подавлял не только помехи, идущие со стороны пиродатчика, но и помехи принятые печатными дорожками самой платы. Ведь даже на 1 см печатной дорожки (включая землю - что она, не дорожка что ли?) можно наловить сотни милливольт ВЧ помехи (замкните проводом ~1 см щуп осциллографа и посмотрите, что он покажет при включении передатчика).

 

Способ для этого единственный: отнестись к нашему каскаду, как к ВЧ устройству с очень высокими (и в обычной технике не встречающимися) требованиями по подавлению радиочастотных помех на всех ножках усилителя.

Поэтому придется обвесить усилитель хорошими высокочастотными SMD конденсаторами (нам не нужно, чтобы на паразитной индуктивности выводов выделялось даже небольшое ВЧ напряжение) везде где только можно.

Эти дополнительные конденсаторы показаны на предыдущем рисунке красным. Все они номиналом по 0,1 мкФ. Рассмотрим их назначение.

C1, C2 – это конденсаторы, установленные нами ранее прямо на выводы пиросенсора.

C3 вместе со входным резистором 10 к (если в вашей схеме его нет – разрежьте дорожку и установите) образует ФНЧ, срезающий помехи, принятые деталями и дорожками между выходом пиросенсора и входом неинвертирущим ОУ.

C4 улучшает блокировку между входами ОУ. 0,1 мкФ это лучше имевшихся 1 нФ.

C5 блокирует цепь обратной связи. Стоп, зачем? Мы же выше выяснили, что это делать не особенно надо: ниже 1 так коэффициент передачи не уронишь. Да, усиление на ВЧ это заметно не снижает. Но зато, если установить этот конденсатор прямо на выводы микросхемы, то он сильно снижает влияние помех, принятых цепью обратной связи. Ведь штатный конденсатор, стоящий по схеме на этом же месте, в реальности может стоять не вплотную к ОУ, а на некотором расстоянии. И проводники этого расстояния принимают помехи. Которые прямо оказываются в кольце обратной связи ОУ. Вот C5 их и блокирует.

C6 блокирует по питанию цепь питания ОУ. Усилитель ведь у нас ВЧ устройство. И питание его должно быть хорошо развязано по ВЧ.

C7 по сути уже относится ко второму (не показанному на схеме выше) каскаду усиления. И делает точно такой же ФНЧ как и на входе первого каскада (с С3).

Также важно, чтобы шина земли около первого каскада усиления (и, желательно около пиродатчика) имела бы минимальную индуктивность, т.е. была бы предельно короткой и широкой. Если в вашей плате это не так, то имеет смысл проложить сверху через тефлоновую пленку широкую медную фольгу и использовать её как землю (на предыдущем рисунке это показано красным на шине земли), чтобы все ВЧ токи замыкались на ней по кратчайшему пути.

 

Увеличенное фото платы электроники датчика с дополнительными конденсаторами (в данном случае дополнительной шины земли не потребовалось):

В случае показанного на фото датчика, указанных мер оказалось достаточно для его устойчивой работы прямо под Inv V 160 м диапазона с 500 Вт в антенне. Если в вашем случае этого окажется мало, то аналогичную обвеску конденсаторами придется сделать и со вторым каскадом усиления. После него полезные сигналы достигают сотен милливольт и повредить их ВЧ помехами становится маловероятно.



Bonn, 11.03.2015

На главную - Main page