Sensori capacitivi: applicazioni a portata di dito

L’ingegnere, si dice spesso, è una persona concreta che risolve i problemi che ha di fronte "smanettando" con ciò che ha, magari assemblando qualcosa con componenti "raccattati qua e là". E le cose che negli anni sono state assemblate, talvolta sfiorano il miracoloso. Non sempre si pensa, però, che gli ingegneri sono in grado di compiere vere e proprie magie, lavorando con componenti che non hanno o che nemmeno esistono. Si chiama fisica, si chiama prendere le leggi di natura e sfruttarle a proprio vantaggio. Si chiama alterare il mondo in maniera sottile così da ottenere ciò che si vuole. Oggi vi spiegheremo come si possono utilizzare condensatori che non esistono, per realizzare dei pulsanti senza contatti e senza parti in movimento.

INTRODUZIONE

Parafrasando una vecchia battuta, potremmo dire che ci sono in tutto due tipi di condensatori: quelli che esistono e quelli che non esistono. I primi sono quelli che mettiamo volutamente in un circuito, per togliere un pò di rumore dalla linea di alimentazione, per implementare un oscillatore astabile, per campionare un segnale, e ce ne sono di tutte le forme e dimensioni. Quelli che non esistono compaiono magicamente nel circuito senza che ce li abbiate fisicamente messi. Pare strano, e in effetti le prime volte questi condensatori "parassiti" risultano fastidiosi e difficili da accettare, ma a ben pensarci la loro presenza è quasi ovvia. Un condensatore, in fin dei conti, è poco più di una coppia di conduttori messi uno accanto all'altro con un dielettrico in mezzo, con le armature caricate una positivamente ed una negativamente. Tantissime cose si comportano da dielettrico: l'aria è un ottimo dielettrico, ad esempio. E non ci vuole molto per caricare due conduttori con cariche opposte: ad esempio, capita di continuo con i transistor.

I condensatori che esistono sono ovviamente un bene: del resto, siamo noi che li "piazziamo lì" per farci qualcosa. I condensatori che non esistono sono un male, per motivi altrettanto ovvi: sono lì senza che nessuno li abbia invitati e alterano il funzionamento del circuito che stiamo progettando. Sono le capacità parassite che impongono la velocità dei circuiti digitali e sono le capacità parassite che limitano la banda nei circuiti analogici; e proprio perché le capacità parassite non le mettiamo noi, i loro effetti sono anche difficili da gestire. Le capacità parassite tendono ad essere piccole, ma quanto piccole è tutto da vedere. Visto che non li abbiamo messi noi lì, non sappiamo di preciso quanto valgano, possiamo al più fare qualche stima, ed i modelli che ci permettono di fare questo, non sono esattamente facili. Per dirla tutta, sono estremamente complicati. La complessità è tale per cui, spesso e volentieri, i modelli SPICE che tengono conto della loro presenza sono oggetti matematici che non tengono quasi più conto della fisica, ma fondamentalmente sono solo delle curve ottenute sperimentalmente. In pratica, qualcuno, con molta pazienza, ha misurato per noi queste capacità ed ha messo un pò di puntini su un grafico. Questi puntini poi sono stati fatti interpolare da un qualche software di calcolo (come Matlab), e l'equazione polinomiale che ne hanno tirato fuori è il modello che SPICE butta dentro al circuito.

C'è, però, il rovescio della medaglia. In certi casi, queste capacità parassite possono anche essere utili, e il motivo alla base è sostanzialmente che il loro valore può essere cambiato e che questa variazione può essere rilevata. Ciò equivale a rilevare che si è verificato un qualche evento che ha modificato il valore della capacità: stiamo parlando dei sensori capacitivi. E di sensori capacitivi, a ben vedere, è pieno il mondo.

Ora, ci sono almeno due modi per modificare il valore di un condensatore. Il primo consiste nel modificare il dielettrico compreso tra le due armature. La cosa funziona perché il valore della capacità di un condensatore dipende dal dielettrico che c'è in mezzo. Due armature, a parità di dimensioni e di materiale, immagazzineranno più o meno carica a seconda se per dielettrico usiamo, ad esempio, aria o carta, oppure, se è per questo, un dito. Prendete due armature separate dall'aria e avrete un condensatore con una certa capacità. Infilate un dito tra le due armature e il condensatore avrà tutt'altra capacità. Misurando di quanto è cambiata questa capacità si può sapere che tra le armature c'è qualcosa (digitale, 1 oppure 0, c'è o non c'è), addirittura cosa c'è in mezzo e più o meno quanto è grande.

Figura 1: Sensore touch capacitivo.

Figura 1: Sensore touch capacitivo

Il secondo modo consiste nel toccare una delle due armature. Se toccate un condensatore alterate la sua capacità. Possiamo vedere la cosa da almeno un paio di punti di vista. Considerate che, nel momento in cui toccate l'armatura, avete i piedi collegati a terra ed il vostro corpo è, a tutti gli effetti, un discreto conduttore. Se non lo fosse, del resto, non ci sarebbe pericolo di prendere la scossa quando si infilano le dita nella presa della corrente. Se avete i piedi a terra e il dito sull'armatura, avrete il dito ad un potenziale maggiore dei piedi, e con tutto il corpo nel mezzo che funge da dielettrico. Praticamente il vostro corpo è una gigantesca capacità parassita che "ruba" un pò di cariche al condensatore vero, alterandone la capacità. In pratica, siete un condensatore parassita in parallelo al condensatore reale, e la capacità di un parallelo di condensatori è diversa da quella di un condensatore da solo.

Da un altro punto di vista, ciò che accade è una conseguenza di un'altra non idealità che di solito si trascura quando si studiano i condensatori: gli effetti di bordo. Quando si fanno i conti, di solito, si suppone che il campo elettrico sia tutto compreso tra le armature del condensatore, ma in realtà le cose non stanno così. In realtà, un pò di campo esce fuori, e quando poggiate il dito sull'armatura le linee di campo si richiudono sul dito. L'effetto risultante è lo stesso: aggiungere un altro condensatore in parallelo a quello vero. Un condensatore che non esiste ma di cui comunque si sentono gli effetti!

Figura 2: Condensatore in parallelo a quello touch.

Figura 2: Condensatore in parallelo a quello touch

Dunque, il dito altera la capacità del condensatore. Di quanto? Non importa, basta sapere che stiamo provocando un'alterazione ed essere in grado di rilevarla. Se siamo in grado di rilevare questa alterazione, basta mettere una soglia, 1 oppure 0, c’è o non c’è, ed ecco pronto un sensore di presenza capacitivo. In questo modo ci possiamo accorgere se qualcuno ha messo un dito su un particolare punto del dispositivo, il che equivale a dire che stiamo premendo un pulsante che non ha contatti. Un pulsante di questo genere non si usurerà mai, non si incastrerà mai, non smetterà mai di fare contatto. Un pulsante di questo tipo può essere messo anche dietro uno schermo (vi ricorda qualcosa?). Non c’è bisogno che il dito tocchi il condensatore: le linee di campo vanno ovunque e possono ben passare un sottile strato di LED e plastica. Il principio più importante della fisica è probabilmente che la natura è pigra: se il dito consente al campo di risparmiare energia, allora le linee si chiuderanno su di te, indipendentemente da tutto.

PROBLEMI IN PARADISO

Come potete aspettarvi, non è tutto oro quel che luccica, e ci sono un pò di problemi da risolvere. Il primo è che la capacità parassita che si introduce è molto piccola, dell’ordine del femtofarad, all’incirca tre ordini di grandezza più piccola della capacità del condensatore che esiste, che si aggira attorno al picofarad. Questo significa che la misura della capacità va fatta con una certa accuratezza, stando attenti a non aggiungere rumore ed utilizzando un ADC sufficientemente potente. Ma alla fine, sono tutte cose che si fanno.

Figura 3: Switch meccanico con pull-up.

Figura 3: Switch meccanico con pull-up

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