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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Bata o detector de metais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / detectores de metal O detector de metais proposto é projetado para busca de objetos “a curta distância”. É montado de acordo com o esquema mais simples. O dispositivo é compacto e fácil de fabricar. A profundidade de detecção é:
Esquema estrutural O diagrama de blocos é mostrado na Fig. 8. Consiste em vários blocos funcionais. Um oscilador de cristal é uma fonte de pulsos retangulares de frequência estável.
Um circuito oscilatório é conectado ao gerador de medição, que inclui um sensor - um indutor. Os sinais de saída de ambos os geradores são alimentados nas entradas de um detector síncrono, que gera um sinal de diferença de frequência em sua saída. Este sinal tem formato aproximadamente de dente de serra. Para conveniência de processamento adicional, o sinal do detector síncrono é convertido em um sinal retangular usando um gatilho Schmidt. O dispositivo de indicação é projetado para gerar um sinal sonoro de frequência diferente usando um emissor piezo e exibir visualmente o valor dessa frequência usando um indicador LED. Diagrama esquemático O diagrama esquemático do detector de metais pulsante desenvolvido pelo autor é mostrado na Fig. 9.
O oscilador de quartzo possui um circuito semelhante ao de um gerador detector de metais baseado no princípio “transmitir-receber”, mas implementado nos inversores D1.1-D1.3. A frequência do gerador é estabilizada por um ressonador de quartzo ou piezocerâmico Q com frequência de ressonância de 215 Hz ~ 32 kHz ("quartzo relógio"). O circuito R1C2 evita que o gerador seja excitado com harmônicos mais altos. O circuito PIC é fechado através do resistor R2, e o circuito PIC é fechado através do ressonador Q. O gerador é simples, tem baixo consumo de corrente da fonte de alimentação, opera de forma confiável com uma tensão de alimentação de 3 a 15 V e não contém elementos ajustados ou resistores de resistência excessivamente alta. A frequência de saída do gerador é de cerca de 32 kHz. Um gatilho de contagem adicional D2.1 é necessário para gerar um sinal com um ciclo de trabalho exatamente igual a 2, que é necessário para o circuito detector síncrono subsequente. gerador de medição O próprio gerador é implementado em um estágio diferencial usando os transistores VT1, VT2. O circuito PIC é implementado galvanicamente, o que simplifica o circuito. A carga da cascata diferencial é o circuito oscilatório L1C1. A frequência de geração depende da frequência de ressonância do circuito oscilatório e, até certo ponto, da corrente de operação do estágio diferencial. Esta corrente é definida pelos resistores R3 e R3'. O ajuste de frequência do gerador de medição durante a configuração do dispositivo é realizado de forma aproximada - selecionando a capacitância C1 e suavemente - ajustando o potenciômetro R3'. Para converter o sinal de saída de baixa tensão do estágio diferencial em níveis lógicos padrão de chips CMOS digitais, é usado um estágio emissor comum no transistor VT3. Um shaper com um gatilho Schmidt na entrada do elemento D3.1 fornece bordas de pulso acentuadas para a operação normal do gatilho de contagem subsequente. Um gatilho de contagem adicional D2.2 é necessário para gerar um sinal com um ciclo de trabalho exatamente igual a 2, que é necessário para o circuito detector síncrono subsequente. Detector síncrono O detector consiste em um multiplicador implementado no elemento D4.1 “OU Exclusivo” e um circuito integrador R6C4. Seu sinal de saída tem formato próximo ao de um dente de serra, e a frequência desse sinal é igual à diferença entre as frequências do oscilador de quartzo e do oscilador de medição. gatilho Schmidt O gatilho Schmidt é implementado no elemento D3.2 e gera pulsos retangulares a partir da tensão dente de serra do detector síncrono. Dispositivo de exibição É simplesmente um poderoso inversor buffer, implementado nos três inversores restantes D1.4-D1.6, conectados em paralelo para aumentar a capacidade de carga. A carga do dispositivo de exibição é um LED e um emissor piezoelétrico. Tipos de peças e design Os tipos de microcircuitos usados são dados na Tabela. 4. Tabela 4. Tipos de microcircuitos usados
Em vez dos microcircuitos da série K561, é possível usar microcircuitos da série K1561. Você pode tentar usar alguns microcircuitos da série K176. As entradas de elementos não utilizados de microcircuitos digitais não podem ficar desconectadas! Eles devem ser conectados a um barramento comum ou a um barramento de potência. Os transistores VT1, VT2 são elementos de um conjunto de transistores integrado do tipo K159NT1 com qualquer letra. Eles podem ser substituídos por transistores discretos com condutividade npn dos tipos KT315, KT312, etc. Transistor VT3 - tipo KT361 com qualquer letra ou tipo semelhante com condutividade pnp. Não há requisitos especiais para os resistores usados no circuito do detector de metais. Eles só precisam ter um design sólido e ser fáceis de instalar. A dissipação de potência nominal deve ser de 0,125 a 0,25 W. O potenciômetro de compensação R3' é preferencialmente do tipo multivoltas SP5-44 ou com ajuste vernier do tipo SP5-35. Você pode conviver com potenciômetros convencionais de qualquer tipo. Neste caso, é aconselhável utilizar dois em série. Um é para ajuste aproximado, com valor nominal de 1 kOhm. O outro é para ajuste fino, avaliado em 100 Ohms. O indutor L1 tem um diâmetro de enrolamento interno de 160 mm e contém 100 voltas de fio. Tipo de fio - PEL, PEV, PELSHO, etc. Diâmetro do fio 0,2...0,5 mm. Veja abaixo o design da bobina. O capacitor C3 é eletrolítico. Tipos recomendados - K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 e outros pequenos. Os demais capacitores, com exceção do capacitor do circuito oscilatório da bobina do gerador de medição, são cerâmicos do tipo K10-7, etc. O capacitor do circuito C1 é especial. Altas exigências são impostas a ele em termos de precisão e estabilidade térmica. O capacitor consiste em vários (5...10 unidades) capacitores individuais conectados em paralelo. O ajuste aproximado do circuito para a frequência do oscilador de quartzo é realizado selecionando o número de capacitores e sua classificação. Tipo recomendado de capacitores K10-43. Seu grupo de estabilidade térmica é MPO (ou seja, aproximadamente zero TKE). É possível utilizar capacitores de precisão de outros tipos, por exemplo K71-7. No final, você pode tentar usar capacitores de mica termicamente estáveis com placas de prata, como KSO ou capacitores de poliestireno. LED VD1 tipo AL336 ou similar de alto rendimento. Qualquer outro LED visível também funcionará. Ressonador de quartzo Q - qualquer relógio de quartzo de pequeno porte (semelhantes também são usados em jogos eletrônicos portáteis). Emissor piezo Y1 - pode ser do tipo ЗП1-ЗП18. Bons resultados são obtidos ao usar emissores piezo de telefones importados (eles vão em grandes quantidades "para o lixo" na fabricação de telefones com identificador de chamadas). O design do dispositivo pode ser bastante arbitrário. Ao desenvolvê-lo, é aconselhável levar em consideração as recomendações estabelecidas nas seções sobre sensores e projeto da caixa. A placa de circuito impresso da parte eletrônica do detector de metais pode ser feita por qualquer um dos métodos tradicionais; também é conveniente usar placas de circuito impresso breadboard prontas para o pacote DIP de microcircuitos (passo de 2,5 mm). Configurando o dispositivo Recomenda-se configurar o dispositivo na seguinte sequência. 1. Verifique a instalação correta de acordo com o diagrama do circuito. Certifique-se de que não haja curtos-circuitos entre condutores PCB adjacentes, pernas de microcircuitos adjacentes, etc. 2. Conecte a bateria ou fonte de alimentação de 9V, observando rigorosamente a polaridade. Ligue o aparelho e meça o consumo atual. Deve ser cerca de 10 mA. Um desvio acentuado do valor especificado indica instalação incorreta ou mau funcionamento dos microcircuitos. 3. Certifique-se de que haja uma onda quadrada pura com frequência de cerca de 3.1 kHz na saída do oscilador de quartzo e na saída do elemento D32. 4. Certifique-se de que existam sinais com frequências em torno de 2.1 kHz nas saídas dos gatilhos D2.2 e D16. 5. Certifique-se de que haja uma tensão de diferença de frequência dente de serra na entrada do elemento D3.2 e pulsos retangulares em sua saída. 6. Certifique-se de que o dispositivo de exibição esteja funcionando - visual e auditivamente. Modificações possíveis O design do dispositivo é extremamente simples e por isso só podemos falar de novas melhorias. Esses incluem: 1. Adicionando um indicador de frequência logarítmica LED opcional. 2. Usando um sensor de transformador em um gerador de medição. Vamos dar uma olhada nessas modificações. Indicador de frequência logarítmica O indicador de frequência logarítmica é um indicador LED avançado. Sua escala consiste em oito LEDs separados. Quando a frequência medida atinge um determinado limite, o LED correspondente na escala acende, os outros sete não acendem. A peculiaridade do indicador é que os limites de resposta de frequência para LEDs vizinhos diferem entre si por um fator de dois. Em outras palavras, a escala do indicador possui uma graduação logarítmica, o que é muito conveniente para um dispositivo como um detector de metais por batida. O diagrama esquemático de um indicador de frequência logarítmica é mostrado na Fig. 10. Apesar de o circuito deste indicador ter sido desenvolvido pelo autor de forma independente, ele não tem a pretensão de ser original, pois uma busca de patentes mostrou que circuitos semelhantes são conhecidos. No entanto, tanto o próprio circuito de indicadores como a sua implementação numa base de elementos domésticos são, na opinião do autor, de algum interesse.
O indicador logarítmico funciona da seguinte maneira. A entrada do indicador recebe um sinal da saída do gatilho Schmidt do circuito detector de metais de batida (ver Fig. 9). Este sinal é a entrada para os contadores binários D5.1-D5.2 (a numeração continua de acordo com o esquema da Fig. 9). Esses contadores são periodicamente zerados por um sinal de alto nível do oscilador auxiliar no gatilho Schmidt D3.3 com uma frequência de cerca de 10 Hz. Na borda ascendente do sinal do gerador auxiliar, o estado dos contadores também é registrado nos registradores paralelos D6 e D7 de quatro bits. Assim, nas saídas dos registros D6 e D7 existe um código digital para a frequência do sinal de batimento. É possível converter este código em uma escala logarítmica de forma bastante simples (e este é o “destaque” deste esquema) se a iluminação do LED da escala correspondente for ajustada em correspondência com o aparecimento de um em um determinado bit da frequência código com todos os zeros nos bits superiores do código. Obviamente, esta tarefa deve ser realizada por um circuito combinacional. A implementação mais simples de tal circuito consiste em repetir periodicamente links de elementos OR. O circuito prático utiliza elementos NOR D8, D9 juntamente com poderosos inversores buffer D10, D11. Na saída do circuito, é obtido um sinal lógico para controle dos LEDs da escala na forma de uma “onda de unidades”. Do ponto de vista de economia de bateria, é claro, é mais aconselhável fazer a escala não na forma de uma coluna luminosa de LEDs (até 8 peças por vez), mas na forma de um ponto móvel de um LED brilhante. Para isso, os LEDs da linha indicadora são conectados entre as saídas do circuito combinacional. Para frequências muito baixas, uma indicação LED piscante é ainda mais adequada. No esquema proposto, ele é combinado com o início da escala do LED e apaga assim que o próximo segmento acender. Ao selecionar os elementos R8, C5, é possível alterar o valor da frequência do gerador auxiliar, alterando assim o limite da escala de frequência. Tipos de peças e design Os tipos de microcircuitos usados são dados na Tabela. 4. Tabela 4. Tipos de microcircuitos usados
Em vez dos microcircuitos da série K561, é possível usar microcircuitos da série K1561. Você pode tentar usar alguns microcircuitos da série K176. A fiação dos circuitos de potência e a numeração dos pinos dos microcircuitos D8-D11 não são mostradas para simplificar. LEDs VD2-VD9 tipo AJ1336 ou similares com alta eficiência. Seus resistores de ajuste de corrente R9-R17 têm a mesma classificação de 1,0...5,1 kOhm. Quanto menor a resistência desses resistores, mais brilhantes os LEDs brilharão. Porém, a capacidade de carga dos microcircuitos K561LN2 pode não ser suficiente. Neste caso, recomenda-se a utilização de inversores de saída conectados em paralelo no circuito indicador. A maneira mais conveniente de organizar essa conexão paralela é simplesmente soldar pacotes adicionais de chips do mesmo tipo (até 4 unidades) em cima de cada um dos chips K561LN2 instalados no circuito. sensor do transformador A ideia de um sensor transformador para detectores de metais é simples e elegante. É conhecido há muito tempo e surgiu do desejo de simplificar o projeto da bobina do sensor do detector de metais. Uma desvantagem comum de um sensor típico de detector de metais de qualquer projeto é o grande número (mais de 100) de voltas da bobina. Como resultado, a estrutura do sensor torna-se insuficientemente rígida, o que requer medidas especiais, como molduras adicionais, preenchimento com resina epóxi, etc. Além disso, a capacitância parasita de tal bobina é grande e para eliminar sinais falsos devido ao acoplamento capacitivo da bobina (bobinas) com o solo e o corpo do operador, é necessária a blindagem dos enrolamentos. A maneira de eliminar as deficiências listadas é simples e óbvia - você precisa usar uma bobina com um número mínimo de voltas - uma volta! Naturalmente, tal solução não funciona “de frente”, já que a insignificante indutância de uma volta exigiria capacitâncias gigantescas dos capacitores dos circuitos oscilantes, geradores de sinais com enorme corrente de saída e truques especiais para garantir alto fator de qualidade. E aqui é hora de lembrar a existência de um dispositivo projetado para casar impedâncias, para converter sinais alternados de alta tensão com baixa corrente em sinais de baixa tensão com alta corrente, e vice-versa sobre um transformador. Na verdade, vamos pegar um transformador com uma relação de transformação de cerca de cem e conectar seu enrolamento abaixador a uma volta, que é o sensor do detector de metais, e o enrolamento elevador ao circuito do detector de metais em vez de um indutor. Estruturalmente, uma volta desse sensor de transformador pode ser feita de várias maneiras. Por exemplo, pode ser um anel de fio de núcleo único de cobre ou alumínio com seção transversal de 6...10 mm2 para cobre e 10...35 mm2 para alumínio. Os condutores internos dos cabos de alimentação são fáceis de usar. Para reduzir o peso e aumentar a rigidez, você pode fazer uma bobina com um tubo de metal. É possível fazer uma bobina de folha colando-a em material de folha e até mesmo em laminado de fibra de vidro comum. Em qualquer local conveniente, a bobina é aterrada conectando-se ao barramento comum do dispositivo, o que garante compensação de acoplamentos capacitivos parasitas. A influência dessas conexões para um determinado projeto de sensor é várias ordens de grandeza menor devido ao menor valor do módulo de impedância de uma volta. O sensor do transformador permite implementar um design dobrável de um detector de metais compacto. Seu esboço é mostrado na Fig. 11. O transformador do sensor é feito sobre um núcleo magnético toroidal instalado diretamente na placa do detector de metais, alojado em uma caixa plástica. O enrolamento abaixador do transformador e a bobina do sensor são estruturalmente uma única unidade na forma de uma moldura retangular feita de fio de cobre unipolar isolado com seção transversal de 6 mm2, fechada por soldagem. Este quadro tem a capacidade de girar. Quando dobrada, a moldura fica localizada ao redor do perímetro do corpo do dispositivo e não ocupa espaço extra. Na posição de trabalho gira 180°. Para garantir que a estrutura esteja fixa na posição, são utilizadas mangas de vedação feitas de borracha ou outro material semelhante. Também é possível utilizar quaisquer outros fixadores mecânicos de estrutura adequados.
A seção transversal do condutor do qual é feita a bobina do sensor do transformador não deve ser inferior à seção transversal total de todas as espiras que compõem uma bobina do sensor de detector de metais convencional. Isso é necessário não apenas para dar à estrutura a resistência e rigidez necessárias, mas também para garantir que o fator de qualidade do circuito oscilatório com tal transformador analógico do indutor não seja muito baixo (aliás, ao usar uma volta como uma bobina radiante, a corrente nela pode atingir dezenas de amperes!). Pela mesma razão, é necessária a seleção adequada da seção transversal do fio do enrolamento abaixador do transformador. Pode ter uma seção transversal menor que a seção transversal do condutor da bobina, mas sua resistência ôhmica não deve ser maior que a resistência ôhmica da bobina. Para reduzir as perdas devido à resistência ôhmica, é necessário conectar com muito cuidado a espira ao enrolamento abaixador do transformador. O método de conexão recomendado é soldagem (para bobina de cobre) e soldagem com gás inerte (para bobina de alumínio). Os seguintes requisitos se aplicam ao transformador. Primeiro, deve operar com baixas perdas na frequência requerida. Na prática, isso significa que seu núcleo magnético deve ser feito de ferrita de baixa frequência. Em segundo lugar, os seus enrolamentos não devem contribuir significativamente para a impedância do sensor. Na prática, isso significa que a indutância do enrolamento abaixador deve ser visivelmente maior que a indutância da espira. Para núcleos magnéticos de ferrite toroidais com permeabilidade magnética μ=2000 e com um diâmetro superior a 30 mm, isto é verdade mesmo para uma volta do enrolamento redutor. Em terceiro lugar, a relação de transformação deve ser tal que a indutância do enrolamento elevador quando a bobina do sensor está conectada ao enrolamento redutor seja aproximadamente a mesma de uma bobina convencional de um sensor típico. Infelizmente, as vantagens do sensor do transformador superam significativamente suas desvantagens apenas para detectores de metal por batida. Para dispositivos mais sensíveis, tal sensor não é aplicável devido à sua sensibilidade bastante elevada às deformações mecânicas, o que leva a sinais falsos que aparecem durante o movimento. É por isso que o sensor do transformador é discutido apenas na seção dedicada ao detector de metais por batimento. Autor: Shchedrin A.I.
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