Warum sind berührungslose Spannungsdetektoren vibrationsempfindlich?

Ich habe festgestellt, dass die LED blinkt , wenn ich einen berührungslosen Spannungsdetektor gegen meine Handfläche klopfe. Ich habe dies mit vier sechs verschiedenen Detektoren versucht , von denen jeder eine andere Marke und jeder eindeutig eine andere Implementierung aufweist. (Und nein, keiner von ihnen schien ein ODM zu teilen .)

Warum ist das?

Ich habe ein billiges NCVD gekauft , das dieses Verhalten aufweist, und dieses Schema rückentwickelt :

Hier ist ein Bild der Leiterplatte im Inneren:

Wie Sie sehen können, erstreckt sich die Leitung des Widerstands, den ich R2 nenne, in die Spitze der Sonde. Anfangs dachte ich, dies sei ein induktiver Tonabnehmer, aber wenn Sie sich Bilder von Konkurrenzgeräten ansehen, werden Sie feststellen, dass andere hier eine feste Platte verwenden. Es ist wahrscheinlicher, dass dies als eine Platte eines Kondensators wirkt.

Der Rest der Schaltung sieht aus wie eine ziemlich einfache Signalaufbereitung. Der Haupt-IC ist ein 74HC14-Hex-Schmitt-Wechselrichter in SO-14.

Ich glaube nicht, dass ich hier einen piezoelektrischen Effekt sehe. Die drei Kondensatoren sind aus Keramik und unterliegen daher diesen Effekten, aber keiner der drei scheint mir wirklich wahrscheinlich:

• C1 ist eine Bypasskappe. Seine Enden werden vom Netzteil fixiert, und auf jeden Fall erklären winzige Spannungen, die an die 74HC14-Stromanschlüsse angelegt werden, dies nicht.

• C2 ist auf der einen Seite mit einem niederohmigen Ausgang und auf der anderen Seite über den großen R4-Pull-up-Widerstand mit einer Spannungsschiene verbunden. Ich würde denken, dass beide diese winzigen piezoelektrischen Spannungen erzeugen würden.

• C3 könnte zu so etwas fähig sein, aber ich denke, der nächste Punkt erklärt, warum es nicht verantwortlich ist.

Sobald ich die Platine aus dem "Stift" heraus hatte, löte ich einige Anschlussdrähte daran, damit ich sie von meiner Tischversorgung mit Strom versorgen konnte, versuchte dann, den Effekt zu reproduzieren, und schlug fehl. Ich habe versucht, die Platine gegen meine Werkbank zu schlagen, mich an den Anschlussdrähten festzuhalten und sie wie eine Wimper zu bearbeiten. Ich habe auch versucht, es mit einem Zahnstocher zu schlagen, es wie den Arm eines groben Katapults zu biegen und loszulassen, damit meine Hand niemals die Leiterplatte berührt.

Auf Wunsch von Phil Frost wiederholte ich diese Tests später mit einem 2 × AAA-Batteriehalter, der mit 1-Fuß-Anschlussdrähten an die Platine gelötet war, damit ich die Leiterplatte und die Batterie unabhängig voneinander schlagen kann. Der Effekt trat in dieser Konfiguration nicht wieder auf: Weder das Aufprallen des Batteriekontakts noch die Vibration der Leiterplatte scheinen die Ursache für diesen Effekt zu sein.

Der Effekt ist nicht nur darauf zurückzuführen, dass der Tester von einem Menschen gehalten wird. Wenn Sie einen Tester nehmen, der dem Effekt ausgesetzt ist, und ihn auf eine isolierte Oberfläche fallen lassen, geschieht dies dennoch. Wenn es Ihnen nichts ausmacht, Ihren Tester im Namen der Wissenschaft zu riskieren, lassen Sie ihn von einem Fuß oder so fallen, und Sie werden sehen, dass das Licht bis zum Aufprall nicht blinkt. Der Effekt wird nicht dadurch verursacht, dass der Mensch den Tester loslässt.

Ich kann nur schlussfolgern, dass die physikalische Realisierung des Endprodukts etwas hat, das den Effekt verursacht. Zum einen verändert das Kunststoffgehäuse über der Sondenspitze die Kapazität, da es eine höhere relative Permittivität als Luft aufweist.

Dieses Gerät arbeitet mit kapazitiver Kopplung, nicht mit induktiver Kopplung, wie der von Ihnen mit "R2-Leitung" gekennzeichnete Induktor nahe legt. Die kapazitive Kopplung hat den Vorteil, dass sie unabhängig davon, wie viel Strom im Draht fließt, gleich gut funktioniert. Sie möchten wahrscheinlich wissen, dass der Draht unter Spannung steht, obwohl das Licht gerade ausgeschaltet ist. Das ist also gut so.

Dies erklärt wahrscheinlich auch, warum die R2-Leitung verbogen ist. Dies dient dazu, die effektive Oberfläche dieser Platte des Kondensators zu vergrößern und die Kapazität zu erhöhen. Mein Tester (Klein Tools NCVT-1) hat eine feste, flache Sonde in der Spitze.

Die Leitung von R2 ist vielmehr eine Platte des Kondensators, und Ihre Hand ist die andere:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Denken Sie daran, dass die Kapazität das Verhältnis von Ladung zu Spannung ist:

Aber Sie können das neu arrangieren als:

Wir wissen nicht, was ist, aber wir wissen, dass es aufgrund der sehr hohen Eingangsimpedanz von U1A ungefähr konstant ist.$Q$

Außerdem wissen wir, dass die Kapazität eine Funktion des Abstands zwischen den Platten ist. Wenn sich Ihre Hand zur Sonde hin oder von dieser weg bewegt, ändert sich C. Wenn sich Q also nicht schnell genug ändert, um signifikant zu sein, und C sich schnell ändert, wenn Sie Ihre Hand (eine Platte) näher oder weiter von der anderen Platte (der Widerstandsleitung) muss sich ändern. Piep!$V$

Sie können diesen Effekt tatsächlich erzielen, indem Sie die Sonde schnell auf ein leitfähiges Objekt zu oder von diesem weg bewegen. Ich habe oft beobachtet, wie meine Sonde kurz piept, wenn ich sie in die Nähe eines Stromkreises bringe, den ich am Leistungsschalter getrennt habe.

Versuchen Sie dieses Experiment, um diese Erklärung zu bestätigen: Tippen Sie schnell und kräftig mit der Sonde gegen Ihre Hand, bis sie häufig piept. Reduzieren Sie dann Ihre Schläge auf noch etwas schnelle, aber sanfte Kontakte oder sogar nicht ganz Kontakte mit Ihrer Hand. Sie sollten es als sehr empfindlich empfinden. Halten Sie es jetzt für einen Moment an Ihrer Hand. Zehn Sekunden reichen bei meinem Tester aus. Versuchen Sie nun das gleiche sanfte Kontaktmuster. Sie sollten es viel weniger empfindlich finden.

Ich gehe davon aus, dass Folgendes passiert: Wenn Sie die erste Runde des Schmatzens durchlaufen, erhöhen Sie die Ladung des Kondensators, indem Sie durch triboelektrische Effekte viel Rauschen injizieren, die Kapazität Ihrer Hand stark variieren und die von Ihrem Körper aufgenommenen HF-Ströme gekoppelt werden durch diese Kapazität, Mikrofoneffekte, Erschütterung der Batterie und so weiter. Punkt ist, wenn Sie fertig sind, ist sehr wahrscheinlich ungleich Null. Dies erhöht den Spannungshub, wenn Sie die Kapazität zwischen der Sonde und Ihrer Hand und damit die Empfindlichkeit variieren.$Q$

Wenn Sie die Sonde in der Nähe Ihrer Hand halten, kann die ursprünglich festgelegte Ladungstrennung durch Leckpfade am Kondensator vorbei ausgeglichen werden. Da es sich um eine sehr hohe Impedanz und eine niedrige Ladung handelt, muss nicht viel Leckage vorhanden sein, um signifikant zu sein.

Ich habe versucht, Ihre Falltests zu reproduzieren, konnte dies aber nicht zuverlässig tun. Ich wollte meinen Tester nicht opfern, um die Kontakte zu löten, also habe ich mit einem unveränderten Tester getestet. Wenn ich die Sonde gegen meine Hand klopfe, kann ich sie piepen lassen. Wenn ich jedoch auf das andere Ende des Geräts klopfe und darauf achte, es nicht in der Nähe des Sondenendes zu halten, piept es nicht. Ich nehme an, dass das Aufprallen von Batteriekontakten dieses Verhalten immer noch erklären könnte, und wenn ich auf das andere Ende klopfe, erschüttere ich die Batterie einfach nicht so effektiv. Das Erschüttern der Batterie erklärt jedoch nicht das zuvor beschriebene Experiment. Vielleicht sind beide Mechanismen von Bedeutung.

Wenn Sie ein Gerät mit einer Batterie schlagen, schütteln oder fallen lassen, kann die Batterie entladen werden und die internen Stromkreise vorübergehend von der Stromquelle getrennt werden. Dies zwingt das Gerät zum Durchlaufen des Startvorgangs, bis die Stromquelle zuverlässig genug ist. Dies kann zu einem merkwürdigen Verhalten der Schaltung führen, da die internen Knoten beim Einschalten in ungewöhnliche Zustände übergehen können.

Die Reaktion kann zwischen verschiedenen Geräten aufgrund unterschiedlicher Mechanismen zur Sicherung der Batterie unterschiedlich sein. Einige Batterien sind sicherer als andere und werden beim Schlagen nicht so stark beschädigt.

Um zu testen, ob dieser Effekt einen Fehler in einem Gerät verursacht, können einige Tests durchgeführt werden:

1) Machen Sie das Batteriegehäuse und die Kontakte robuster gegen mechanische Stöße und führen Sie den mechanischen Reiz erneut aus. Wenn das seltsame Verhalten nicht mehr beobachtet wird, war es wahrscheinlich auf den oben beschriebenen Effekt zurückzuführen.

2) Schließen Sie ein Oszilloskop an, um die interne Bordstromversorgung zu überwachen. Dies sollte erfolgen, ohne den Testaufbau zu stark zu beeinträchtigen. Das heißt, Sie möchten das Gerät so ähnlich wie möglich zu dem Zustand halten, in dem der Fehler oder das seltsame Verhalten beobachtet wurde. Wenden Sie einen mechanischen Schlag an und beobachten Sie mit dem Oszilloskop, ob Schwankungen an der Stromversorgung auftreten. Wenn das seltsame Verhalten in der Schaltung immer noch beobachtet wird, die Stromversorgung jedoch nicht beeinflusst wird, muss ein anderer Effekt das seltsame Verhalten verursachen. Wenn das seltsame Verhalten beobachtet wird und die Stromversorgung erhebliche Schwankungen aufweist, ist der Fehlermodus wahrscheinlich wie oben beschrieben. Wenn das seltsame Verhalten während des Tests nicht beobachtet wird, sind die Ergebnisse nicht schlüssig.

Ich kann es nicht mit Sicherheit sagen, aber das Gerät ist über die Streukapazität Ihres Körpers mit Masse geerdet. Durch Schlagen wird diese Kapazität geändert und möglicherweise etwas an der Schaltung vorgenommen. Versuchen Sie, es gegen einen Tisch oder eine andere nicht leitende Oberfläche zu klopfen, um eine piezoelektrische Quelle auszuschließen.