Пропонований металошукач призначений для "ближнього" пошуку предметів. Він зібраний за найпростішою схемою. Прилад компактний і нескладний у виготовленні. Глибина виявлення становить:
- монета
25мм - 5 см; - пістолет - 10 см;
- каска - 20 див.
Структурна схема
Структурна схема зображена на рис. 8. Вона складається з декількох функціональних блоків. Кварцовий генератор є джерелом прямокутних імпульсів стабільної частоти.
Рис. 8. Структурна схема металошукача на биениях
До вимірювального генератора підключений коливальний контур, до складу якого входить датчик - котушка індуктивності. Вихідні сигнали обох генераторів надходять на входи синхронного детектора, який на своєму виході формує сигнал різницевої частоти. Цей сигнал має приблизно пилкоподібну форму. Для зручності подальшої обробки сигнал синхронного детектора перетворюється за допомогою тригера Шмідта сигнал прямокутної форми. Пристрій індикації призначений для формування звуковий сигнал різницевої частоти з допомогою пьезоизлучателя і для візуального відображення величини цієї частоти з допомогою світлодіодного індикатора.
Принципова схема
Принципова схема розробленого автором металошукача на биениях зображена на рис. 9.
Рис. 9. Принципова електрична схема металошукача на биениях (натисніть для збільшення)
Кварцовий генератор має схему, аналогічну схему генератора металошукача за принципом "передача - прийом", але реалізовану на інверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або пьезокерамичним / Q з резонатором резонансною частотою 215 Гц ~ 32 кГц ("вартовий кварц"). Ланцюг R1C2 перешкоджає порушення генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ПОС, через резонатор Q - ланцюг ПОС.
Генератор відрізняється простотою, малим споживаним струмом від джерела живлення, надійно працює при напрузі живлення 3..15 В, не містить підстроєних елементів і надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора - близько 32 кГц. Додатковий лічильний тригер D2.1 необхідний для формування сигналу зі шпаруватістю, у точності рівної 2, що вимагається для подальшої схеми синхронного детектора.
Вимірювальний генератор
Безпосередньо генератор реалізований на диференціальному каскаді на транзисторах VT1, VT2. Ланцюг ПОС реалізована гальванічно, що спрощує схему. Навантаженням диференціального каскаду є коливальний контур l 1 c 1. Частота генерації залежить від резонансної частоти коливального контуру і, в деякій мірі, від режимного струму диференціального каскаду. Цей струм задається резисторами R3 і R3'. Підстроювання частоти вимірювального генератора при настройці приладу здійснюється грубо - підбором ємності С1 і плавно - регулюванням потенціометром R3'.
Для перетворення низьковольтного вихідного сигналу диференціального каскаду до стандартним логічним рівням цифрових КМОП-мікросхем служить каскад за схемою з загальним емітером на транзисторі VT3. Формувач з тригером Шмідта на вході на елементі D3.1 забезпечує круті фронти імпульсів для нормальної роботи подальшого лічильного тригера.
Додатковий лічильний тригер D2.2 необхідний для формування сигналу з шпаруватістю, у точності рівної 2, що вимагається для подальшої схеми синхронного детектора.
Синхронний детектор
Детектор складається з перемножувача, реалізованого на елементі D4.1 "Виключаюче АБО" і інтегруючої ланцюга R6C4. Його вихідний сигнал близький за формою до пилообразному, а частота цього сигналу дорівнює різниці частот кварцового генератора і вимірювального генератора.
Тригер Шмідта
Тригер Шмідта реалізований на елементі D3.2 і формує прямокутні імпульси з пилкоподібної напруги синхронного детектора.
Пристрій індикації
Є просто потужним буферним інвертором, реалізованим на трьох, що залишилися інверторах D1.4-D1.6, включених в паралель для збільшення навантажувальної здібності. Навантаженням пристрою індикації є світлодіод і пьезоизлучатель.
Типи деталей і конструкція
Типи використовуваних мікросхем наведені в табл. 4.
Таблиця 4. Типи використовуваних мікросхем
Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176. Входи невикористовуваних елементів цифрових мікросхем не можна залишати непідключеними! Їх слід з'єднати або з загальною шиною, або з шиною живлення.
Транзистори VT1, VT2 є елементами інтегральної транзисторної складання типу К159НТ1 з будь-якою літерою. Їх можна замінити на дискретні транзистори n-p-n провідністю типів КТ315, КТ312 і т. п. Транзистор VT3 - типу КТ361 з будь - буквою або аналогічного типу з p-n-p провідністю.
До застосовуваним у схемі металошукача резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну конструкцію і бути зручні для монтажу. Номінальна потужність, що розсіюється повинна становити 0,125...0,25 Вт.
Потенціометр компенсації R3' бажаний багатооборотний типу СП5-44 або з нониусной підстроюванням типу СП5-35. Можна обійтися і звичайними потенціометрами будь-яких типів. У цьому випадку бажано використовувати два послідовно включені. Один - для грубої підстроювання, номіналом 1 кОм. Інший - для точної підстроювання, номіналом 100 Ом.
Котушка індуктивності L1 має внутрішній діаметр намотки 160 мм, містить 100 витків дроту. Тип проводу - ПЕЛ, ПЕВ, ПЕЛШО і т. п. Діаметр дроту 0,2...0,5 мм. Про конструкції котушки див. нижче.
Конденсатор СЗ - електролітичний. Рекомендовані типи - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 та інші малогабаритні. Інші конденсатори, за винятком конденсатора коливального контуру котушки вимірювального генератора, - керамічні типу К10-7 і т. п. Конденсатор контуру С1 особливий. До нього пред'являються високі вимоги по точності і термостабільності. Конденсатор складається з декількох (5...10 шт.) окремих конденсаторів, включених паралельно. Груба настройка контуру на частоту кварцового генератора здійснюється підбором кількості конденсаторів і їх номіналу. Рекомендований тип конденсаторів К10-43. Їх група по термостабільності - МПО (т. е. приблизно нульовою ТКЕ). Можливе застосування прецизійних конденсаторів і інших типів, наприклад К71-7. Зрештою, можна спробувати використовувати термостабільні слюдяні конденсатори з срібними обкладками типу КСВ або полістирольні конденсатори.
Світлодіод VD1 типу АЛ336 або аналогічний з високим ККД. Підійде і будь-який інший світлодіод видимого діапазону випромінювання.
Кварцовий резонатор Q - будь-який малогабаритний часовий кварц (аналогічні використовуються також в портативних електронних іграх).
Пьезоизлучатель Y1 - може бути типу ЗП1-ЗП18. Гарні результати виходять при використання pied - зоизлучателей імпортних телефонів (йдуть у величезних кількостях "у відвал" при виготовленні телефонів з визначником номера).
Конструкція приладу може бути досить довільною. При її розробці бажано врахувати рекомендації, викладені в розділах, присвячених датчикам і конструкції корпусів.
Друкована плата електронної частини металошукача може бути виготовлена з будь-яким традиційних способів, зручно також використовувати готові макетні друковані плати під DIP корпусу мікросхем (крок 2,5 мм).
Налагодження приладу
Налагодження приладу рекомендується проводити в наступній послідовності.
1. Перевірити правильність монтажу за принциповою схемою. Переконатися в відсутність коротких замикань між сусідніми провідниками друкованої плати, сусідніми ніжками мікросхем і т. п.
2. Підключити батарею або джерело живлення 9 В, суворо дотримуючись полярності. Включити прилад і виміряти споживаний струм. Він повинен становити близько 10 мА. Різке відхилення від вказаного значення свідчить про неправильності монтажу або несправності мікросхем.
3. Переконатися в наявності на виході кварцового генератора і на виході елемента D3.1 чистого меандру з частотою близько 32 кГц.
4. Переконатися в наявності на виходах тригерів D2.1 і D2.2 сигналів з частотами близько 16 кГц.
5. Переконатися в наявності на вході елемента D3.2 пилкоподібної напруги різницевої частоти, а на його виході - прямокутних імпульсів.
6. Переконатися в працездатності пристрою індикації - візуально і на слух.
Можливі модифікації
Схема приладу гранично проста і тому мова може йти тільки про подальші вдосконалення. До них можна віднести:
1. Додавання додаткового світлодіодного логарифмічного індикатора частоти.
2. Використання трансформаторного датчика у вимірювальному генераторі.
Розглянемо ці модифікації докладніше.
Логарифмічний індикатор частоти
Логарифмічний індикатор частоти являє собою вдосконалений світлодіодний індикатор. Його шкала складається з восьми окремих світлодіодів. При досягнення вимірюваною частотою деякого порогу, на шкалі загоряється відповідний світлодіод, інші сім - не горять. Особливість індикатора полягає в тому, що пороги спрацьовування по частоті для сусідніх світлодіодів відрізняються один від одного в два рази. Іншими словами, шкала індикатора має логарифмічну градуювання, що дуже зручно для такого приладу, як металошукач на биениях. Принципова схема індикатора логарифмічного частоти наведена на рис. 10.
Незважаючи на те, що схема цього індикатора була розроблена автором самостійно, вона не претендує на оригінальність, так як проведений патентний пошук показав, що подібні схеми відомі. Тим не менш, як сама схема індикатора, так і її реалізація на вітчизняній елементній базі представляє, на думку автора, певний інтерес.
Рис.10. Принципова електрична схема логарифмічного індикатора (натисніть для збільшення)
Працює логарифмічний індикатор наступним чином. На вхід індикатора надходить сигнал з виходу тригера Шмідта схеми металошукача на биениях (див. рис. 9). Цей сигнал є вхідним для двійкових лічильників D5.1-D5.2 (нумерація продовжує нумерацію за схемою рис. 9). Зазначені лічильники періодично обнуляються за сигналом високого рівня допоміжного генератора на тригері Шмідта D3.3 з частотою близько 10 Гц. По передньому фронту сигналу допоміжного генератора відбувається також запис стану лічильників паралельні четырехразрядные регістри D6 і D7. Таким чином, на виходах регістрів D6 і D7 присутній цифровий код частоти сигналу биттів. Перетворити цей код на логарифмічну шкалу можливо досить просто (і в це "родзинка" цієї схеми), якщо запалення відповідного світлодіода шкали поставити у відповідність появи одиниці в певному розряді коду частоти при всіх нулів у більш старших розрядах коду.
Очевидно, що це завдання повинна виконувати комбінаційна схема. Найпростіша реалізація такої схеми являє собою періодично повторювані ланки з елементів АБО. У практичній схемі використані елементи АБО-НЕ D8, D9 спільно з потужними буферними інверторами D10, D11. На виході схеми виходить логічний сигнал керування світлодіодами шкали у вигляді "хвилі одиниць". З точки зору економії батареї живлення, звичайно, більш доцільно зробити шкалу не в вигляді світиться стовпчика світлодіодів (до 8 шт. одночасно), а у вигляді переміщається точки з одного світиться світлодіода. Для цього світлодіоди індикаторної лінійки включені між виходами комбінаційної схеми.
Для дуже низьких значень частоти і раніше більш придатна індикація у вигляді миготливого світлодіода. У пропонованій схемі він поєднаний з початком світлодіодним шкали і гасне, як тільки загориться такий її сегмент. Вибором елементів R8, С5 можна змінювати значення частоти допоміжного генератора, змінюючи таким чином межа шкали по частоті.
Типи деталей і конструкція
Типи використовуваних мікросхем наведені в табл. 4.
Таблиця 4. Типи використовуваних мікросхем
Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176. Розводка ланцюгів живлення і нумерація висновків для мікросхем D8-D11 для простоти умовно не показана.
Світлодіоди VD2-VD9 типу AJ1336 або аналогічні з високим ККД. Їх токозадающие резистори R9-R17 мають однаковий номінал 1,0...5,1 кОм. Чим менше опір зазначених резисторів, тим яскравішими будуть світитися світлодіоди. Однак при цьому може не вистачити навантажувальної здатності мікросхеми К561ЛН2.
В даному випадку рекомендується використовувати паралельно включені вихідні інвертори в схемі індикатора. Найзручніше організувати це паралельне включення шляхом простого припаивания додаткових однотипних корпусів мікросхем (до 4 шт.) поверх кожної зі встановлених в схему мікросхеми К561ЛН2.
Трансформаторний датчик
Ідея трансформаторного датчика для металошукачів проста і витончена. Вона відома давно і виникла із-за прагнення спростити конструкцію котушки датчика металошукача. Звичайним недоліком типового датчика будь металошукача конструкції є велика (більше 100) число витків котушки. Внаслідок цього виходить недостатня жорсткість конструкції датчика, що вимагає прийняття спеціальних заходів типу додаткових каркасів, заливки епоксидною смолою і т. д. Крім того, паразитна ємність такої котушки велика і для усунення помилкових сигналів з-за ємнісною зв'язку котушки (котушок) з землею і тілом оператора обов'язково екранування обмоток.
Шлях усунення перерахованих недоліків простий і очевидний - необхідно використовувати котушку, що складається з мінімальної кількості витків - з одного витка! Природно, "в лоб" таке рішення не проходить, так як нікчемний індуктивність одного витка зажадала б гігантських за розміром ємностей конденсаторів коливальних контурів, генераторів сигналів з величезним вихідним струмом і спеціальних хитрувань по забезпеченню високої добротності. І тут саме час згадати про існування пристрою, призначеного для погодження імпедансів, для перетворення змінних сигналів великої напруги з малим струмом в сигнали малого напруги з великим струмом, і навпаки про трансформаторі.
Справді, візьмемо трансформатор з коефіцієнтом трансформації близько сотні і підключимо його знижувальну обмотку до одного витка, що є датчиком металошукача, а підвищує обмотку - схему металошукача замість котушки індуктивності. Конструктивно один виток такого трансформаторного датчика може бути виконаний різними способами. Наприклад, він може представляти собою кільце з мідного або алюмінієвого одножильного дроту перетином 6... 10 мм2 для міді і 10...35 мм2 для алюмінію. Зручні для використання внутрішні жили силових кабелів. Можна для зменшення маси і збільшення жорсткості виготовити виток з металевої трубки. Можливе виготовлення витка з фольги шляхом наклейки на листовий матеріал і навіть зі звичайного фольгованого склотекстоліти. В будь-якому зручному місці виток заземлюється шляхом підключення до загальної шині приладу, чим забезпечується компенсація паразитних ємнісних зв'язків. Вплив цих зв'язків при даній конструкції датчика на кілька порядків менше зважаючи меншого значення модуля повного опору одного витка.
Трансформаторний датчик дозволяє реалізувати складну конструкцію компактного металошукача на биениях. Її ескіз зображено на рис. 11. Трансформатор датчика виконаний на тороїдальним магнитопроворде, встановленому безпосередньо на платі металошукача, розміщеної у пластмасовому корпусі. Знижувальна обмотка трансформатора і виток датчика конструктивно являють собою єдине ціле в вигляді прямокутної рамки з мідного ізольованого одножильного дроту перетином 6 мм2, замкнутого з допомогою пайки. Зазначена рамка має можливість обертатися.
У складеному положенні рамка розташована по периметру корпусу приладу та не займає зайвого місця. У робочому положенні вона розвертається на 180°. Для щоб рамка фіксувалася у встановленому положенні, використовуються ущільнюючі втулки з гуми або з іншого аналогічного матеріалу. Можливо також застосування будь-яких інших відповідних механічних фіксаторів для рамки.
Рис. 11. Конструкція металошукача на биениях зі складаним рамкою датчика
Переріз провідника, з якого виготовлений виток трансформаторного датчика, повинно бути не менше, ніж сумарне перетин всіх витків, складових звичайну котушку датчика металошукача. Це необхідно не тільки для додання конструкції необхідної міцності і жорсткості, але і для того, щоб отримати не занадто низьку добротність у коливального контуру з таким трансформаторним аналогом котушки індуктивності (до речі, при використанні такого витка в як випромінюючої котушки, струм в ньому може досягати десятків ампер!). З тієї ж причини, необхідний належний вибір перерізу проводу обмотки понижувальної трансформатора. Він може мати менший розтин, ніж переріз провідника витка, але його омічний опір має бути не більше омічного опору витка.
Для зменшення втрат за рахунок омічного опору необхідно дуже ретельно виконати з'єднання витка із заниженою обмоткою трансформатора. Рекомендований спосіб з'єднання - пайка (для мідного витка) і зварювання в середовищі інертного газу (для алюмінієвого).
До трансформатора пред'являються наступні вимоги. По-перше, він повинен працювати з малими втратами на необхідній частоті. На практиці це означає, що його магнітопровід має бути зроблений з низькочастотного фериту. По-друге, його обмотки не повинні вносити помітного вкладу в імпеданс датчика. На практиці це означає, що індуктивність понижувальної обмотки повинна бути помітно більше індуктивності витка. Для тороїдальних феритових магнітопроводів з магнітною проникністю μ=2000 та діаметром більше 30 мм це справедливо навіть для одного витка понижувальної обмотки. По-третє, коефіцієнт трансформації повинен бути таким, щоб індуктивність підвищує обмотки при підключеному до понижувальної обмотці витку датчика була б приблизно такою ж, як і у звичайної котушки типового датчика.
На жаль, переваги трансформаторного датчика помітно перевершують його недоліки тільки для металошукачів на биениях. Для більш чутливих приладів такий датчик непридатний за досить високої чутливості до механічних деформацій, що призводить до помилкових сигналів, що з'являються при рух. Ось чому трансформаторний датчик розглядається в розділі, присвяченому металошукачу на биениях.
Автор: Щедрін А. В.