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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Metal detector con sensibilità aumentata tramite transistor. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Il funzionamento del metal detector, il cui circuito e struttura sono discussi in questa sezione, si basa sul principio dell'analisi dei cambiamenti nei battiti di oscillazione di due generatori, la frequenza di uno dei quali è stabile e la frequenza del secondo cambia quando un oggetto metallico appare nell'area di copertura del dispositivo. Quando si lavora su questo dispositivo, si è tentato di creare un metal detector esente da una serie di svantaggi inerenti ad altri progetti simili. Nonostante il fatto che il circuito di questo dispositivo sia stato sviluppato più di 20 anni fa, i suoi vantaggi includono sensibilità relativamente elevata, stabilità operativa e capacità di distinguere tra metalli non ferrosi e ferrosi. Le soluzioni circuitali utilizzate hanno assicurato una maggiore stabilità delle frequenze operative dei generatori, che ha permesso di stimare le frequenze di battimento nell'intervallo da 1 a 10 Hz. Di conseguenza, la sensibilità del dispositivo è aumentata e anche la corrente da esso consumata è diminuita. Schema schematico Come già accennato, il progetto proposto è una delle tante opzioni per i metal detector del tipo BFO (Beat Frequency Oscillator), ovvero è un dispositivo basato sul principio dell'analisi dei battiti di due frequenze (Fig. 2.10).
La base del dispositivo è un oscillatore di misurazione e riferimento, un rilevatore di vibrazioni RF, un preamplificatore, un primo amplificatore limitatore, un circuito differenziatore, un secondo amplificatore limitatore e un amplificatore a bassa frequenza. Come oscillatori di misurazione e riferimento sono stati utilizzati due semplici generatori LC realizzati sui transistor T1 e T2. Questi transistor fanno parte del microcircuito K159NT1G, che è una coppia di transistor identici situati nello stesso alloggiamento. L'uso di un gruppo transistor può aumentare significativamente la stabilità termica delle frequenze del generatore. Ogni generatore è assemblato secondo un circuito capacitivo a tre punti, con i transistor T1 e T2 collegati secondo un circuito con una base comune. L'eccitazione delle oscillazioni è assicurata introducendo un feedback positivo tra il collettore e l'emettitore di ciascun transistor. La frequenza operativa dei generatori è determinata dai parametri dei circuiti di impostazione della frequenza collegati tra i collettori e gli emettitori dei transistor T1 e T2. In questo caso, gli elementi di regolazione della frequenza del primo generatore, che svolge le funzioni di un generatore di misura, sono la bobina di ricerca L1 e i condensatori C1, C2 e C3. La frequenza operativa del secondo generatore di riferimento è determinata dai parametri dell'induttore L2, nonché dai condensatori C6, C7 e C9. In questo caso entrambi i generatori sono sintonizzati su una frequenza operativa di 40 kHz. Utilizzando i resistori R1-R4, vengono impostate le modalità operative dei transistor T1 e T2 per la corrente continua. Nel processo di installazione del dispositivo, modificando la capacità del condensatore C6, l'oscillatore di riferimento viene sintonizzato approssimativamente sull'armonica selezionata della frequenza di battimento. In questo caso, la capacità del condensatore C6 può variare da 100 a 330 pF. La regolazione fine della frequenza di battimento viene effettuata dal resistore variabile R7, con l'aiuto del quale cambia la polarizzazione sul diodo zener D1, che in questo circuito funge da varicap. Quando la bobina di ricerca L1 del circuito oscillatorio del generatore sintonizzabile si avvicina a un oggetto metallico, la sua induttanza cambia, provocando un cambiamento nella frequenza operativa del generatore. Inoltre, se vicino alla bobina L1 è presente un oggetto di metallo ferroso (ferromagnetico), la sua induttanza aumenta, il che porta ad una diminuzione della frequenza del generatore. Il metallo non ferroso riduce l'induttanza della bobina L1 e aumenta la frequenza operativa del generatore. Il segnale RF, generato come risultato della miscelazione dei segnali degli oscillatori di misurazione e di riferimento, è isolato sul resistore di carico R5. In questo caso, l'ampiezza del segnale cambia con la frequenza del battimento, che è uguale alla differenza nelle frequenze dei segnali RF. L'inviluppo a bassa frequenza del segnale RF viene rilevato da uno speciale rilevatore realizzato sui diodi D2 e D3 utilizzando un circuito raddoppiatore di tensione. In questo caso, il condensatore C11 fornisce il filtraggio della componente ad alta frequenza del segnale. Dal carico del rivelatore, che è il resistore R6, il segnale di battimento a bassa frequenza viene alimentato attraverso il condensatore C12 ad un preamplificatore realizzato sul transistor T3. Dal collettore del transistor T3, il segnale amplificato attraverso il condensatore C13 viene fornito al primo amplificatore limitatore, realizzato sul transistor T4 e fornendo la formazione di impulsi rettangolari. Utilizzando un partitore costituito dai resistori R11 e R12, viene applicata una tensione di polarizzazione alla base del transistor T4 in cui il transistor si trova alla soglia di apertura. Il segnale sinusoidale che arriva alla base del transistor T4 è limitato su entrambi i lati. Di conseguenza, sul carico in cascata si formano impulsi rettangolari, il cui ruolo è svolto dal resistore R13, che vengono ulteriormente differenziati dai circuiti C14, R14, R15 e convertiti in picchi appuntiti. In questo caso, si forma un picco di polarità positiva al posto della parte anteriore di ciascun impulso e un picco di polarità negativa al posto della caduta. Va notato che la durata di questi picchi non dipende dalla frequenza di ripetizione degli impulsi rettangolari e dalla loro durata. I picchi positivi vanno alla base del transistor T5 e i picchi negativi vengono interrotti dal diodo D4. Il transistor T5, come il transistor T4, funziona in modalità interruttore e limita il segnale di ingresso in modo che si formino brevi impulsi rettangolari di durata fissa sul carico del collettore formato dai resistori R16 e R17. Il condensatore C15 filtra il segnale in uscita e migliora il timbro del segnale nelle cuffie BF1. Dal resistore R16, che è un controllo del volume, il segnale va ad uno stadio amplificatore costituito dai transistor T6 e T7, collegati secondo il cosiddetto circuito a transistor composto. Con questa connessione si forma un equivalente di un transistor di conduzione PNP ad alta potenza con un elevato coefficiente di trasferimento di corrente. Quindi il segnale amplificato viene inviato alle cuffie BF1. Il metodo utilizzato in questo progetto per generare un segnale di impulso da uno sinusoidale consente di ridurre la potenza consumata dall'amplificatore, soprattutto nello stadio di uscita, poiché i transistor T5, T6 e T7 sono chiusi durante le pause tra gli impulsi. Il metal detector è alimentato dalla sorgente B1 con una tensione di 4,5 V, mentre il consumo di corrente non supera i 2 mA. Dettagli e design Non ci sono requisiti speciali per le parti utilizzate durante l'assemblaggio di un metal detector con maggiore sensibilità. L'unica limitazione è legata alle dimensioni complessive, poiché la maggior parte delle parti di questo dispositivo sono montate su un circuito stampato di dimensioni 70x110 mm, realizzato in lamina getinax unilaterale o fibra di vetro. Il circuito stampato è progettato per utilizzare resistori fissi MLT-0,125, condensatori KSO, PM, MBM, K50-6 o simili (Fig. 2.11). Quando si ripete questo progetto come gruppo di transistor (transistor T1 e T2), è possibile utilizzare il microcircuito K159NT1 con qualsiasi indice di lettere. Tuttavia, al giorno d'oggi non è sempre possibile trovarlo. Pertanto, se necessario, invece di un gruppo di transistor, si consiglia di utilizzare due transistor del tipo KT315G con parametri uguali o eventualmente simili (coefficiente di trasferimento di corrente statico e corrente iniziale di collettore).
Negli stadi amplificatori (transistor T3, T4 e T5), invece dei transistor del tipo KT342B, è possibile installare transistor dei tipi KT315G, KT503E o KT3102A - KT3102E. Un transistor di tipo KT502E (T6) è completamente sostituibile con KT361 e un transistor di tipo K503E (T7) con KT315 con qualsiasi indice di lettera. Ma in questo caso le cuffie devono essere ad alta impedenza (tipo TON-2 o TEG-1). Quando si utilizzano telefoni a bassa impedenza, il transistor T7 deve essere più potente, ad esempio tipo KT603B o KT608B. Come diodo zener D1 si possono utilizzare anche diodi zener del tipo D808-D813 o KS156A. I diodi D2 e D3 possono essere qualsiasi delle serie D1, D9 o D10. La bobina L2 contiene 250 spire di filo PEV-2 con un diametro di 0,1 mm, avvolte su un nucleo magnetico SB-23-11a. Nella sua fabbricazione possono essere utilizzati altri nuclei. La cosa principale è che l'induttanza della bobina finita è 4 mH. La bobina di misura L1 contiene 100 spire di filo PEV-1 con un diametro di 0,3 mm ed è realizzata sotto forma di un toro con un diametro di 160 mm. È più semplice realizzare questa bobina su un telaio rigido, ma puoi farne a meno. In questo caso, qualsiasi oggetto rotondo adatto, come un barattolo, può essere utilizzato come cornice temporanea. Le spire della bobina vengono avvolte alla rinfusa, dopodiché vengono rimosse dal telaio e schermate con uno schermo elettrostatico, che è un nastro aperto di foglio di alluminio avvolto su un fascio di spire. Lo spazio tra l'inizio e la fine dell'avvolgimento del nastro (lo spazio tra le estremità dello schermo) deve essere di almeno 10 mm. Quando si realizza la bobina L1, è necessario fare attenzione a garantire che le estremità del nastro schermante non vadano in cortocircuito, poiché in questo caso si forma una spira cortocircuitata. Per aumentare la resistenza meccanica la bobina può essere impregnata con colla epossidica. I conduttori di un cavo schermato bipolare lungo circa un metro devono essere saldati ai terminali della bobina, all'altra estremità del quale è installato un connettore di tipo SSh-3 o qualsiasi altro connettore adatto di piccole dimensioni. La treccia del cavo deve essere collegata allo schermo della bobina. Nella posizione operativa, il connettore della bobina è collegato alla parte di accoppiamento del connettore situata sul corpo del dispositivo. Il metal detector ad alta sensibilità è alimentato dalla sorgente B1 con una tensione di 4,5 V. Come tale sorgente è possibile utilizzare, ad esempio, una cosiddetta batteria quadrata del tipo 3336L o tre elementi del tipo 316, 343 collegati in serie . Il circuito stampato con gli elementi posti su di esso e l'alimentatore sono collocati in un'apposita custodia di plastica o legno. Sul coperchio dell'alloggiamento si trovano i resistori variabili R7 e R16, il connettore X1 per il collegamento della bobina di ricerca L1, l'interruttore S1 e il connettore X2 per il collegamento delle cuffie BF1. Istituzione Come per la regolazione di altri metal detector, la regolazione di questo dispositivo deve essere effettuata in condizioni in cui gli oggetti metallici vengono rimossi dalla bobina di ricerca L1 ad una distanza di almeno 1,5 m. L'installazione vera e propria di un metal detector dovrebbe iniziare selezionando la frequenza di battito desiderata. Per fare ciò, si consiglia di utilizzare un oscilloscopio o un frequenzimetro digitale. Quando si lavora con un oscilloscopio, la sua sonda deve essere collegata al punto di connessione dei resistori R1, R4, R5 e del condensatore C8, cioè all'ingresso del rilevatore. La forma d'onda a questo punto assomiglia alla forma d'onda di un segnale RF modulato. Successivamente, regolando la bobina L2 e selezionando le capacità dei condensatori C2 e C6, è necessario assicurarsi che la frequenza di modulazione (frequenza di battimento) sia di circa 10 Hz. Quando si utilizza un frequenzimetro digitale per impostare un metal detector, il frequenzimetro deve essere collegato prima al circuito del collettore del transistor T1 e poi al collettore del transistor T2. Selezionando i parametri degli elementi precedentemente menzionati (induttanza della bobina L2, capacità dei condensatori C2 e C6), è necessario assicurarsi che la differenza nelle frequenze del segnale sui collettori dei transistor T1 e T2 sia di circa 10 Hz. Successivamente, selezionando il resistore R8, viene impostato il guadagno massimo della cascata realizzata sul transistor T3. Se non si dispone di un oscilloscopio e di un frequenzimetro, è possibile selezionare la frequenza di battimento desiderata anche senza di essi. In questo caso, è necessario prima impostare il cursore della resistenza R7 in posizione centrale, quindi, ruotando il nucleo di sintonia della bobina L2, far apparire nei telefoni dei clic con una frequenza di circa 1-5 Hz. Se non è possibile impostare la frequenza desiderata, selezionare la capacità del condensatore C6. Per ridurre l'influenza del fondo, la selezione finale della frequenza di battimento dovrebbe essere effettuata quando la bobina di ricerca L1 si avvicina al suolo. Questo completa il processo di configurazione di un metal detector con maggiore sensibilità. Procedura di lavoro Nell'uso pratico di questo metal detector, il resistore variabile R7 dovrebbe essere utilizzato per mantenere la frequenza richiesta del segnale di battito, che cambia quando la batteria è scarica, quando cambia la temperatura ambiente o quando le proprietà magnetiche del terreno deviano. È inoltre necessario regolare il volume dei clic utilizzando il regolatore R16. Se durante il funzionamento si trova un oggetto metallico nel raggio d'azione della bobina di ricerca L1, la frequenza del segnale nei telefoni cambierà. Quando ci si avvicina ad alcuni metalli, la frequenza del segnale del battito aumenterà e quando ci si avvicina ad altri diminuirà. Modificando il tono del segnale di battimento, con una certa esperienza, si può facilmente determinare di quale metallo, magnetico o non magnetico, è composto l'oggetto rilevato. Con l'aiuto di un tale metal detector, è possibile rilevare piccoli oggetti, come i chiodi, sotto lo strato di terreno a una profondità di 10-15 cm e oggetti di grandi dimensioni (ad esempio, coperture di pozzi) a una profondità di 50-60 cm . Autore: Adamenko MV
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