artikel

Back to basics: Hoe werkt een capacitieve sensor?

Werkplaats & Onderhoud 12741

Je loopt naar je auto, pakt de portiergreep vast en alle deuren van de auto worden ontgrendeld. Tenminste, als je je keyless kaart bij je hebt. Bij sommige diesels start op dat moment ook al het voorgloeien. Hoe kan dat eigenlijk?

Back to basics: Hoe werkt een capacitieve sensor?
Deurvergrendeling en touchscreen werken volgens dit principe.

Tja, hoe kan dat? Wordt er een lichtsignaal onderbroken doordat je je vingers tussen portiergreep en deur houdt? Of leg je de portiergreep aan aarde? Nee, geen van beide. Maar hoe zit het dan wel?
Ik ga eerst even in de auto zitten. Als ik op het centrale display tik, weet de elektronica precies wat er moet gebeuren. Het type sensoren dat in het touchscreen beeldscherm verwerkt is, zit ook in de portiergreep. Het gaat om capacitieve sensoren. Laten we eens kijken hoe zo’n sensor werkt.

Vertraging door weerstand en drukvat

Waterleiding met een vernauwing en een drukvat. Als de rode pijl naar onder beweegt, buigt het membraam naar onder door. De capaciteit van het drukvat wordt groter en daarmee de vul- en leegtijd.

Waterleiding met een vernauwing en een drukvat. Als de rode pijl naar onder beweegt, buigt het membraam naar onder door. De capaciteit van het drukvat wordt groter en daarmee de vul- en leegtijd.

Om dat te kunnen begrijpen, moet je eerst door hebben hoe een condensator in een elektronisch circuit werkt. Om daar een beeld van te krijgen, bekijken we een afbeelding met een waterleiding en een drukvat. In het drukvat zit een membraam dat door middel van de rode pijl naar boven of naar onder kan doorbuigen.

Op het moment dat er op de ingang van de waterleiding een drukpuls komt, zal het even duren voor de drukpuls bij de uitgang komt. Stel dat dat tijdsverschil tussen in- en uitgang 10 ms is, dan kan je die 10 ms veranderen door:

a: de vernauwing enger of minder eng te maken (weerstand);
b: de stand van het membraam te veranderen (capaciteit).

Stel dat we nu eens de rode pijl weghalen, dan kan het membraam verder doorzakken en de capaciteit van het drukvat wordt groter. Het zal duidelijk zijn dat het nu langer duurt voordat de drukpuls bij de uitgang komt.

De vernauwing in de waterleiding kun je vergelijken met een elektrische weerstand, het drukvat met een condensator.

De vernauwing in de waterleiding kun je vergelijken met een elektrische weerstand, het drukvat met een condensator.

Opbouw van een condensator

Een condensator bestaat uit twee elektrisch geleidende oppervlakken, ook wel elektroden genoemd. Eén zijde is verbonden met de positieve pool van het elektrische circuit en de andere ligt in dit voorbeeld aan massa.

Een hand pakt één plaat van de condensator vast. Dat vergroot de capaciteit en daarmee de laad- en ontlaadtijd van de condensator. Een stroompuls doet er nu langer over om door het circuit te gaan: het principe van de capacitieve sensor.

Een hand pakt één plaat van de condensator vast. Dat vergroot de capaciteit en daarmee de laad- en ontlaadtijd van de condensator. Een stroompuls doet er nu langer over om door het circuit te gaan: het principe van de capacitieve sensor.

Tussen deze oppervlakken zit een niet-geleidende laag, die diëlektricum genoemd wordt. De condensator kan worden vergeleken met het drukvat bij de waterleiding. Bij het verzenden van een puls aan de condensator, laadt de condensator snel op. Pas als de condensator vol geladen is, gaat de puls door. De laadtijd is afhankelijk van de weerstand in het circuit en de capaciteit van de condensator. Samen leiden ze tot een vertraging van de puls door de tijd die het duurt om de condensator te laden en te ontladen.

Capaciteit verandert

Een capacitieve sensor werkt op dezelfde manier als een weerstand met condensator. De sensor zelf is slechts één van de geleidende oppervlakken. Het oppervlak van de sensor begint te werken als een condensatorplaat, op het moment dat een ander geleidend oppervlak in de buurt komt.

Terug naar de portierklink van een moderne auto. De achterkant van de portierklink is één van de condensatorplaten. Als je je hand achter de portierklink steekt, functioneert die als het andere geleidende oppervlak. Daarmee verandert de capaciteit van de condensator en daarmee ook zijn laad- en ontlaadtijd.

Deurgreep en touchscreen

De regeleenheid meet de vertraging in het signaal op de ‘ontvangst’-pin en herkent daardoor dat iemand de portierklink vastgrijpt. De controleprocedure voor een keyless entry wordt gestart en het systeem gaat op zoek naar de bijbehorende sleutelkaart. Als de kaartcode klopt met de sleutelcode die geprogrammeerd is, gaan de portieren van het slot.

Ook bij een touchscreen werkt het scherm zoals hierboven beschreven (capacitief). Een touchscreen beeldscherm is verdeeld over een aantal pixels. Daar waar je met je vinger het scherm raakt, verandert de capaciteit op die coördinaten van het scherm. Op die manier wordt herkend waar je op het scherm hebt gedrukt.

De tekst ‘AMT’ heb ik met potlood (koolstof) aangebracht.

Demo-opstelling

Hightech? Valt wel mee. Kijk maar naar onze demo-opstelling op de foto. De meest linkse kabel is de verzendkabel van een puls, daarna volgen er twee weerstanden van 500 kΩ en vervolgens is er een splitsing naar de ontvangstpoort en een draad met paperclip naar de tekst op het papier, een blanco A4’tje.

Demo-opstelling met weerstand en condensator. De condensatorplaat is gemaakt van papier, potlood en plakband. Demo-opstelling met weerstand en condensator. De condensatorplaat is gemaakt van papier, potlood en plakband.

De tekst ‘AMT’ heb ik met potlood (koolstof) aangebracht. Daarna heb ik er plakband overheen geplakt. Het plakband functioneert als blanke laklaag zodat de koolstof niet afgeeft. Dit gedeelte vormt een ‘condensatorplaat’.

Als je vinger over de koolstofbaan gaat, vliegt de tijd tussen verzenden en ontvangen van de puls omhoog.

Als je vinger over de koolstofbaan gaat, vliegt de tijd tussen verzenden en ontvangen van de puls omhoog.

Nu beweeg ik mijn vinger van links naar rechts over het papier, zoals de afbeelding aangeeft. Ondertussen worden de meetgegevens gelogd.

Het resultaat zie je in de laatste afbeelding. Als mijn vinger op het blanco deel van het A4’tje staat, bedraagt de tijd tussen verzenden en ontvangen van de puls 250 µsec. Maar als mijn vinger het koolstofgedeelte raakt, duurt dat meer dan 15.000 µsec.

Terug naar de auto

Zo’n soort van koolstofbaan zit ook aan de binnenkant van de portiergreep verwerkt. De regeleenheid die de puls verzendt, kent een geprogrammeerde waarde van bijvoorbeeld minder dan 10.000 µsec voor de ruststand. Er zit niemand aan de portiergreep.

Als er iemand in de auto wil en zijn hand om de portiergreep zet, komt de gemeten tijd boven de 15.000 µsec. De regeleenheid herkent dit als mogelijk de eigenaar die zijn auto in wil. Het activeert het zoeksysteem voor de sleutelkaart. Wordt die herkend, dan worden de deuren ontgrendeld.

Reageer op dit artikel