In het vorige project werd een contactloze aanraakschakelaar voorgesteld waarvan de uitgang zonder storende schakelruis gebruikt kan worden voor digitale toepassingen. Deze sensoren vereisen een voedingsspanning van 5 volt. Om ze geschikt(er) te maken voor gebruik met de klassieke fischertechnik elektronicamodules die ik graag in experimenten gebruik, onderzocht ik onder andere het signaaluitgangsniveau van deze sensoren. Omdat ik bovendien op een fraai alternatief van de vorige keer besproken aanraakschakelaar stuitte, ontwikkelde ik een kleine printplaat en een paar verschillende 3D-printbare behuizingen om de sensoren zorgeloos op 9 volt te kunnen gebruiken met de zogenaamde 'Silberlingen' en andere elektronicamodules van fischertechnik systeem.
De vorige keer geïntroduceerde sensorboards zijn opgebouwd met een TTP223 'Human Body Detector' chip. De TTP223-ASB chip is een 16-pins SMD component, maar de sensorboards die online verkrijgbaar zijn gebruiken doorgaans een variant van deze chip (TTP223E-HA6) met slechts 6 pinnen en iets minder configuratiemogelijheden. Standaard gedraagt de sensor zich als moment drukknop, maar door het sluiten van de soldeerjumper ‘B’ wordt een aan/uit schakelfunctie (T-flipflop) verkregen.
In de afbeelding hiernaast worden twee DIY-varianten van de kleine sensorsteen getoond. Voor een onberispelijke aanraakdetectie is het transparante oppervlak zo dun mogelijk gehouden. Het kleine sensorboard is normaliter rood van kleur, maar werd voor montage aan de bovenzijde wit gespoten zodat een transparante steen met een wat neutralere uitstraling ontstaat.
Zoals reeds vastgesteld werken veel van deze sensor-boards op deze voor microcontrollers gangbare voedingsspanning van 5 volt. De genoemde HW-763 sensorboards kunnen niet zonder modificaties of zelfgebouwde randelektronica op een hogere spanning werken. De werkspanning van de door mij graag gebruikte fischertechnik elektronicamodules en controllers ligt echter traditioneel op 9 volt. Bij de klassieke elektronicamodules die van spanning werden voorzien door de GB Gleichrichter (30811) module lag de werkspanning zelfs nog hoger (ongeveer 11 volt). Voordat ik onderzocht of en met welke modificaties de sensoren wellicht konden functioneren op een voedingsspanning van 9 volt, kwamen de voorzieningen om 5 volt voedingsspanning aan te kunnen bieden weer uitstekend van pas.
Mijn eigen zelfbouwexperimenten op dit punt liepen tot dusverre reeds uiteen van een zeer eenvoudige insteekmodule op de gelijkrichtermodule, tot een model met meerdere uitgangsspanningen, voltage- en stroommeting en een instelbare automatische zekering.
Recent voegde ik voor toekomstige experimenten met zelfgebouwde 'Silberlingen' twee modellen toe waarbij de sensoren eenvoudig met de gangbare driepolige servosnoeren met de platte zwarte (z.g. Dupont) stekkers kunnen worden gevoed. Deze voedingsmodules maken het mogelijk om gemakkelijker te experimenteren met deze 5 volt sensoren. Op de foto ook een model met 2,5 mm bussen voor de fischertechnik stekkers en een model met aansluitmogelijkheden voor acht sensoren uitgerust met aansluitrails voor de enkelpolige gekleurde experimenteer draden.
De kleine sensor-printplaatjes hebben een bruikbaar uitgangssignaal waarvan het spanningsniveau eenvoudig door een microcontroller kan worden uitgelezen. Hierbij is het zelfs irrelevant of de sensoruitgang een hoog spanningsniveau op de uitgang geeft bij detectie (schakelgedrag met positieve logica), of juist in rust (schakelgedrag met negatieve logica). Spanningsdrempels en schakelgedrag kunnen immers eenvoudig in de controller-software worden aangepast. Als het uitgangssignaal echter moet dienen als ingangssignaal voor een elektronicamodule die is opgebouwd uit discrete elektronica, is directe compatibiliteit echter niet altijd vanzelfsprekend. Om deze reden was ik in het vorige deel van dit artikel blij verrast dat de besproken HW-763 sensormodules met TTP223 chip, zelfs indien gevoed met 5 volt, direct gebruikt konden worden op de diverse klassieke fischertechnik elektronicamodules (liefkozend vaak Silberlingen’ genoemd).
Niet lang daarna stuitte ik op een variant van het sensorboardje waarbij het LEDlicht het gehele aanraakvlak laat oplichten (zie foto). Deze ‘HTTM-Series’ aanraakschakelaar bleek leverbaar in diverse LED-kleuren (rood, groen, blauw, geel en een soort ‘regenboog’-variant). Waar bij het eerder besproken HW-763 sensorboard een LED onderop de print voor de gewenste visuele feedback moet zorgen, zou bij deze fraaie HTTM-variant het schakelen gemakkelijker zichtbaar kunnen worden gemaakt bij inbouw in een behuizing. Het sensorvlak van deze nieuwe sensor zou bijvoorbeeld door een opening in de deksel direct zichtbaar en bereikbaar kunnen blijven. Een extra voordeel hiervan lijkt dat het voor een gebruiker dan ook overduidelijk is waar men de vinger moet leggen om de sensor te activeren.
Deze HTTM-aanraakschakelaar is door de witte melkglazen LED-diffusor iets duurder en bijna twee keer zo groot (20 x 16 mm) als de andere ‘Touch Switch Sensor’. Een klein verschil is dat het schakelgedrag al voorgeconfigureerd is als ‘wisselschakelaar’ door een opgesoldeerde jumper (0 Ω SMD weerstand). Een configuratiemogelijkheid om het inschakelgedrag door middel van een soldeerjumper te beïnvloeden ontbreekt. Na deze niet onoverkomelijke kleine verschillen, bleek er helaas echter ook een veel groter verschil te zijn. In tegenstelling tot de kleinere sensor (die een z.g. ‘open-collector’ output heeft) heeft deze sensor een uitgang met een juist zeer lage impedantie. Hierdoor is de signaaluitgang niet elektronisch verenigbaar met de conventionele transistor-diode logica van de 'Silberlingen'. Doordat de 'Silberlingen' met negatieve logica werken, komt een ‘actief’ signaal overeen met een naar nulpotentiaal trekken van de desbetreffende ingang. De uitgang van deze LED-vlak aanraakschakelaars is daartoe niet in staat door de manier waarop men de LED aan de uitgang (naar ground) geschakeld heeft.
Doordat er een spanningsregelator is ingebouwd, bedraagt de spanningsniveau van de uitgang slechts 3.3 volt. Opnieuw geldt dat detectie van een dergelijk uitgangssignaal van deze sensor op een analoge ingang van de TXT controller, of een andere microcontroller, weinig problemen zal geven. Maar wanneer dit signaalniveau in een schakeling met 'Silberlingen' dient te worden getecteerd met de Elektronik-Grundbaustein G, stuiten we door het lage spanningsniveau op een ander probleem.
Het detecteren of een signaalniveau een bepaalde spanningsdrempel overgaat, kan worden overgelaten aan de Grundbaustein. Een mooie bijkomstigheid hierbij is dat aan de uitgang daarna zowel het normale, als het complementaire (geïnverteerde) sensorsignaal ter beschikking staat op de uitgangen A1 en A2 van deze module. De enige verbinding die hoeft te worden gemaakt, is het aansluiten van de sensoruitgang op E1. De fischertechnik Grundbaustein is in de basis een verschilversterker. Op ingang E2 is standaard (iets minder dan) de halve voedingsspanning aangelegd door een spanningsdeler. Deze spanning vormt de detectiedrempel van het signaalniveau op E1. Bij een voedingsspanning van bijvoorbeeld 9 volt, zullen signalen op E1 die zich geheel onder de detectiedrempel van 4,5 volt bewegen dus echter niet kunnen worden gedetecteerd.
De kleine rode HW-763 sensorboards hebben een actief uitgangssignaal van 4 volt en zouden dus ook al niet zondermeer met de Grundbaustein kunnen worden gedetecteerd. Dit blijkt bij controle inderdaad het geval. Omdat ik ook varianten van mijn voedingsmodule heb die 7,5 volt in plaats van 9 volt leveren, kon ik ook vrij eenvoudig controleren dat met de 'Silberlingen' op deze verlaagde werkspanning de detectie wél plaatsvindt. Voor de genoemde HTTM-aanraakschakelaars met een uitgangsspanning van slechts 3.3 volt is dit echter nog steeds geen oplossing. De voedingsspanning van de 'Silberlingen' zou tot minimaal 6,5 volt moeten worden verlaagd en een dergelijke lage voedingsspanning zou repercussies kunnen hebben voor de schakelstabiliteit en helderheid van het controlelampje in de Grundbaustein.
Na enig puzzelen kwam ik tot een (voor zover ik weet, tot dusverre ongedocumenteerde) manier om de detectiedrempel van de verschilversterker van de Grundbaustein te verlagen zonder de voedingsspanning te verlagen. Als de ingangsspanning op E2 wordt verlaagd door tussen bus 3 (of een andere 0 volt) en bus 6 een weerstand van 10 kΩ op te nemen, kan de originele voedingsspanning gewoon 9 (tot 10) volt blijven. De spanningsdeler wordt door deze parallelweerstand zodanig aangepast dat op E1 reeds ingangsspanningen hoger dan slechts 1/3 van de voedingsspanning kunnen worden gedecteerd. Op deze manier kunnen dus ook sensoren met een laag uitgangsniveau worden gebruikt met de vertrouwde 'Silberlingen'. Zie het principeschema waarbij een weerstand R parallel aan het onderste deel van de spanningsdeler wordt geschakeld en de detectiedrempelspanning op E2 verlaagt.
Er zijn dus zeker oplossingen om 5 volt sensoren met een relatief laag uitgangssignaal te gebruiken met de 'Silberlingen'. Het zou echter efficiënter zijn als ze direct op 9 tot 12 volt zou kunnen worden gebruikt en het uitgangssignaal in alle gevallen de gewenste schakelcompatibiliteit zou hebben.
Er tekende zich de wens af een universeel printplaatje te ontwikkelen waarop beide modellen sensorboards konden worden ondergebracht. Het zou de voorkeur hebben als de sensoren zouden kunnen worden gevoed met 5 volt via een driepolige kabel met platte stekker zodat gebruik kan worden gemaakt van voorgefabriceerde snoeren. Een mooie extra zou zijn als het daarnaast mogelijk zou zijn de sensoren aan te kunnen sluiten met de traditionele fischertechnik stekkers. In het laatste geval zouden de sensoren op 9 volt moeten werken en een overeenkomstig uitgangssignaal moeten hebben. Ze kunnen dan met de 'Silberlingen' of TXT controller gebruikt kunnen worden zonder dat de uitgangssignalen nog op de hierboven beschreven manier met een verschilversterker in een Grundbaustein zouden moeten worden gebufferd of versterkt.
Het is eigenlijk jammer dat in de praktijk slechts eenmalig (namelijk vóór de uiteindelijke montage op de printplaat) met de soldeerjumpers het schakelgedrag van de sensor gekozen moet worden. Veel mooier zou het zijn als dit later nog naar behoefte zou kunnen worden geconfigureerd. Om deze reden werd hiervoor op het nieuwe printplaatje voor iedere sensor een jumper opgenomen waarmee, na het losnemen van het deksel, ook later nog het schakelgedrag kan worden gewijzigd.
Het kleine rode HW-763 sensormodel heeft daarnaast een soldeerjumper die, indien gesloten, het signaalgedrag van de uitgang omdraait. Bij het aanleggen van de voedingsspanning is de uitgangsspanning van het uitgangssignaal dan direct ongeveer gelijk aan de voedingsspanning en bij detectie daalt deze naar nulniveau. Dit lijkt ideaal voor gebruik met de 'Silberlingen', die traditioneel met negatieve logica werken. Maar helaas beïnvloedt deze jumpersetting het gedrag van de indicator LED niet. Deze volgt in feite nog steeds de positieve logica waardoor deze modus helaas in de praktijk weinig bruikbaar lijkt. Hoewel ik in het printplaatontwerp rekening hield met een extra jumper hiervoor, liet ik deze optie vervallen. De HTTM-sensor heeft deze optie namelijk sowieso niet.
Eenvoudiger was in de 9 volt uitvoering simpelweg de logica niveaus van de uitgang sowieso al te inverteren. Het schakelgedrag van de uitgang is dan volgens ‘negatieve logica’ waardoor deze zonder inversie van het uitgangssignaal met de 'Silberlingen' gebruikt kan worden.
Bij montage van de sensorboards (twee per printplaat) verbond ik één kant van de ‘TOG’-jumper met een kleine draad met de printplaat. Op het HW-763 sensorboard is deze als soldeerjumper ‘B’ gekenmerkt. Bij het HTTM-board met het grotere LED-lichtvlak is dit slechts de enige soldeerjumper. De 0 Ω SMD weerstand die standaard het ‘toggle’-gedrag activeert dient hiervoor wel eerst te worden verwijderd.
Op de foto de printplaat met twee dubbele oplichtende sensoren klaar voor montage.
De uiteindelijk gemonteerde aanraakschakelaars kunnen aan de sensorzijde met standaard verkrijgbare servosnoeren worden aangesloten. Merk op dat de pinvolgorde van de kleine HW-763 sensorstenen echter afwijkt. Erg praktisch zijn daarom snoeren met drie losse pinstekkers aan één zijde en 2,5 mm fischertechnik stekkers aan de andere kant. Het op de foto hieronder getoonde aansluitsnoer werd zelf gemaakt, maar het is natuurlijk ook mogelijk een kant en klaar gekocht snoer doormidden te knippen en er fischertechnik stekkers aan te schroeven. Op die manier verkrijgt u voor weinig geld meteen twee bruikbare aansluitsnoeren.
Met drie losse pinnen kan per sensor gemakkelijk de gewenste aansluitvolgorde worden gekozen, maar deze kabels zijn (voor zover ik weet) niet kant en klaar te koop. Gelukkig is de pinvolgorde van de drie pinnen in de standaard verkrijgbare 3-polige servosnoeren (waarbij de pluspool als middelste ader is uitgevoerd) is echter vrij eenvoudig te wijzigen. Klem de stekker voorzichtig even in een bankschroef. Licht de kleine plastic vergendelingslip van de te verwijderen pin voorzichtig op met een kleine schroevendraaier en trek de connectorpin aan de draad uit de stekker. Druk eventueel de plastic lip weer even gelijk met de stekkerbehuizing. Steek daarna de pinnen in de gewenste volgorde terug om een op maat gesneden aansluitsnoer te maken.
De volgende stap was de verschillende behuizingen te ontwerpen voor de verschillende stekkermethoden. Voor de verschillende sensoren waren verder verschillende desksels nodig.
Op de foto's is de variant zichtbaar waarbij in een gesloten, 3D-geprinte, behuizing telkens twee sensoren zijn ondergebracht. De (rode) LED die bij detectie oplicht, zit onderop de kleine sensorprintplaat. Aldus ingebouwd in een half-transparante omhullende bouwsteen of (spatwater dichte) gesloten behuizing met van transparant materiaal geprinte diffusor is dit LED-licht voldoende zichtbaar. Tijdens de praktijktest (op de fischertechnik Südconvention) bleek echter dat men intuïtief soms de vinger plaatst op de diffusor in plaats van iets hoger (waar zich onder de deksel het detectievlak bevindt). Gelukkig bleek in de meeste gevallen de sensor gevoelig genoeg om een dergelijke aanraking toch te detecteren.
Voor de HTTM-variant ontwierp en printte ik een kastje waarbij het sensorvlak van elke sensor door het deksel zichtbaar blijft. Net als bij de gesloten variant, experimenteerde ik bovendien met een dubbele variant waarin direct vier sensoren zijn ondergebracht. Het idee is deze in de toekomst te gebruiken voor digitale experimenten waarbij dan per module vier bits ‘geprogrammeerd’ kunnen worden. Van beide varianten maakte ik een versie die op 5 volt werkt en met een driepolige kabel kan worden aangesloten, en een die de bekende 2,5 mm fischertechnik bussen voert en op 9 volt werkt.
Er werd geëxperimenteerd met verschillende uitvoeringen van de TTP223 detectorboards. Het kleine HW-763 board kan dus zelfs in een 5 mm dikke transparante bouwsteen worden ondergebracht. De sensor is gevoelig genoeg om door de dunne deksel van een gesloten behuizing te kunnen worden geactiveerd. Voor de ‘HTTM-Series’ versie van het sensorboard waarbij het gehele aanraakvlak in kleur kan oplichten dienen de sensoren vanzelfsprekend via gaten in de deksel van de behuizing bereikbaar te zijn. De lichtopbrengst en zichtbaarheid van de geel oplichtende sensor is het laagst, de groen oplichtende sensor vind ik zelf het duidelijkst zichtbaar.
Om de sensorboards zo dicht mogelijk onder de deksel te kunnen monteren printte ik een kleine montagehulp op de 3D-printer die tijdens het solderen de exacte montagehoogte bepaalde. Een compleet bestukte sensor-printplaat, waar tevens direct de driepolige connector op zit, glijdt gemakkelijk in de behuizing en wordt door de deksel vastgeklemd. Het maken van de versies met fischertechnik stekkerbussen bleek erg arbeidsintensief. De bussen konden in verband met de geringe inbouwruimte achter de sensoren in de behuizing alleen via een losse, na montage te verlijmen, achterzijde met interne draadjes worden aangesloten. Ik gebruikte als aansluitbussen de besproken PTN2-10 stekkerbussen. Doordat het fabriceren van een verloopsnoer, zoals hierboven op de foto, relatief eenvoudig is, heeft na deze moeilijkheden bij de montage de keuze voor de kleine platte driepolige stekker aan de sensorzijde in de toekomst absoluut de voorkeur.
Zowel de 9 volt als de 5 volt uitvoeringen van de sensor kunnen worden gebruikt met microcontrollers of de TXT controller van fischertechnik. De 5 volt uitvoering wordt met een standaard driepolig servosnoer aangesloten. De uitgang van de HW-763 variant kan direct als ingangssignal van 'Silberlingen' worden gebruikt. De 5 volt HTTM-variant kan echter alleen op de hierboven beschreven manier via een Grundbaustein worden gebruikt. Misschien loont het om een aangepaste versie van de printplaat te ontwikkelen waarbij de voedingsspanning altijd via de spanningsregulator loopt en waarmee een betere elektronische compatibiliteit met de ingangen van de 'Silberlingen' is gewaarborgd. De keuze tussen 5 of 9 volt voedingsspanning wordt dan geheel triviaal.
De 9 volt uitvoeringen van beide sensorkastjes verzorgen de interne voedingsspanning voor de sensoren (5 volt) zelf, en zijn tevens voorzien van een uitgang die voldoende stroom kan consumeren om daarmee direct op de ingangen van de 'Silberlingen' te worden gebruikt. De sensoruitgang kan daardoor uitstekend gebruikt worden om bijvoorbeeld de Flip-Flop (30815) of Mono-Flop (30816) te triggeren of als ingang voor de OR/NOR (36481) of AND/NAND (36482) modules. Ook kan direct de relaismodule met ingebouwde versterker (36392) worden aangestuurd. Dit maakt een serie van deze aanraaksensoren bijvoorbeeld uitstekend bruikbaar om als bit-invoer te dienen voor een uit 'Silberlingen' opgebouwde digitale schakeling.
Het meest bruikbaar is het als de sensoren zodanig kunnen worden gemodificeerd dat ze direct op 9 volt werken en de signaaluitgang elektronisch zo veel mogelijk compatible is met de 'Silberlingen'. Dit was ook het uitgangspunt bij het toepasbaar maken van een aantal andere sensoren in het vervolg van mijn zoektocht naar contactloze schakelaars.
