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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Un detector de metales de pulso simple en microcircuitos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / detector de metales Recientemente, los detectores de metales pulsados del tipo PI (Pulse Induction) se han generalizado relativamente, en los que, para evaluar la presencia de objetos metálicos en la zona de búsqueda, el fenómeno de la aparición de corrientes superficiales de Foucault en un objeto metálico bajo la influencia de se utiliza un campo electromagnético externo. En los detectores de metales del tipo PI, se aplica una señal de pulso a una bobina transmisora, en la que se inicia un campo electromagnético alterno. Cuando un objeto metálico aparece en la zona de acción de este campo, periódicamente surgen corrientes de Foucault en su superficie bajo la influencia de una señal pulsada. Estas corrientes son la fuente de la señal secundaria, que es recibida por la bobina receptora. Debido al fenómeno de autoinducción, la forma de la señal secundaria diferirá de la forma del pulso emitido por la bobina transmisora. En este caso, las diferencias en los parámetros de la señal de pulso secundaria se utilizan para el análisis con la subsiguiente generación de datos para la unidad de visualización. En todos los detectores de metales pulsados conocidos por el autor, se evalúa el cambio de forma del borde de salida del pulso secundario. El dispositivo en cuestión utiliza un microprocesador con el software adecuado. Desafortunadamente, cuando se publicó este libro, no fue posible publicar una versión 100% funcional de su firmware. Por lo tanto, los lectores interesados y preparados tienen la oportunidad de probar sus habilidades en la creación de firmware para el microcontrolador. El autor no duda ni por un segundo que los artesanos rusos afrontarán esta tarea con honor. Sin embargo, según el autor, el diseño del detector de metales propuesto es bastante complicado para que lo repitan los radioaficionados novatos. También se debe mencionar acerca de las dificultades que surgen al ajustar este dispositivo. Es necesario prestar especial atención al hecho de que los errores durante la instalación y la configuración incorrecta del dispositivo pueden provocar la falla de elementos costosos. Diagrama esquemático El diagrama esquemático del detector de metales de pulso simple propuesto se puede dividir condicionalmente en dos partes, a saber: la unidad transmisora y la unidad receptora. Desafortunadamente, el volumen limitado de este libro no nos permite detenernos en detalle en todas las características de las soluciones de circuito utilizadas para crear este dispositivo. Por lo tanto, a continuación se considerarán los conceptos básicos del funcionamiento de solo los nodos y cascadas más importantes. La unidad transmisora (Fig. 3.14) incluye un módulo de conformación y sincronización de pulsos, el transmisor mismo y un convertidor de voltaje.
El componente principal de todo el diseño es el módulo de sincronización y formación de pulsos, realizado en el microprocesador AT1C89 IC2051 de la empresa ATMEL y que proporciona la formación de pulsos para el transmisor, así como señales que controlan el funcionamiento de todas las demás unidades. La frecuencia de funcionamiento del microcontrolador IC1 está estabilizada por un resonador de cuarzo (3,5 MHz). Al valor especificado de la frecuencia operativa, el microprocesador genera una secuencia periódica de pulsos de control para varias etapas del detector de metales. Esta secuencia consta de 250 ciclos con una duración de 9 μs cada uno. Inicialmente, se genera un pulso de control para el transistor T1 en la salida de IC14 / 6 del microprocesador, luego de lo cual se genera un pulso similar en la salida de IC1 / 15 para el transistor T7. Luego se repite este proceso una vez más. Como resultado, el convertidor de voltaje se pone en marcha. Además, secuencialmente sobre las conclusiones de IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 y IC1/18, se forman pulsos de activación del transmisor. En este caso, estos pulsos tienen la misma duración, pero cada pulso subsiguiente se retrasa varios ciclos con respecto al anterior. El comienzo del primer pulso generado en el pin IC1/8 coincide con el final del segundo pulso en el pin IC1/15. Usando el interruptor P1, puede seleccionar el tiempo de retraso del pulso de inicio del transmisor en relación con el pulso de inicio. Unos pocos ciclos después del final del pulso en el pin IC1/18, se genera un pulso estroboscópico corto para uno de los canales del analizador en el pin IC1/3. Luego, se forma un pulso similar, destinado al segundo canal del analizador, en la salida de IC1 / 9. Después de eso, a la salida de IC1 / 11, se genera una señal de control para el transistor T10 del circuito de señalización acústica de la unidad receptora. Luego, después de una breve pausa, se vuelve a formar la secuencia de pulsos de control en las salidas correspondientes del microcontrolador. La tensión de alimentación de +5 V, previamente estabilizada por IC2, se aplica al pin IC1/20 del microcontrolador. El convertidor de voltaje, realizado en los transistores T6-T8 y el estabilizador IC3, proporciona la formación de un voltaje de suministro bipolar de 12 V, que es necesario para alimentar las cascadas de la parte receptora. Las señales de control para los transistores T7 y T8 se generan en los pines correspondientes del microcontrolador IC1. Al mismo tiempo, esta señal se alimenta al transistor T8 a través de un convertidor de nivel montado en el transistor T6. Además, el voltaje de suministro generado es estabilizado por el microcircuito IC3, desde cuya salida se suministra el voltaje de +12 V a las cascadas de la parte receptora. Las etapas de salida del transmisor se realizan en potentes transistores T1, T2 y T3, que funcionan con una carga común, que es la bobina L1, desviada por una cadena de resistencias R1-R6. El funcionamiento de los transistores de la etapa de salida está controlado por el transistor T4. La señal de control a la base del transistor T4 se suministra desde la salida correspondiente del procesador IC1 a través del transistor T5. El pulso generado por el microprocesador IC1 de acuerdo con el programa almacenado en su memoria se alimenta a través del interruptor a la entrada del transistor T5 y luego, a través del transistor T4, a las etapas de salida del transmisor, hecho en los transistores T1-T3. , y luego a la bobina del transceptor L1. Cuando aparece un objeto metálico en el área de cobertura de la bobina L1, las corrientes superficiales de Foucault se excitan en su superficie bajo la influencia de un campo electromagnético externo iniciado por el pulso del transmisor. La vida útil de estas corrientes depende de la duración del pulso emitido por la bobina L1. A su vez, las corrientes superficiales son la fuente de una señal de pulso secundaria, que es recibida por la bobina L1 con un retardo apropiado, amplificada y alimentada al circuito de análisis. Cabe señalar que debido al fenómeno de autoinducción, la duración de la señal secundaria será mayor que la duración del pulso emitido por la bobina transmisora. En este caso, la forma del pulso secundario depende de las propiedades del metal del que está hecho el objeto detectado. El procesamiento de información sobre las diferencias en los parámetros de los pulsos emitidos y recibidos por la bobina L1 proporciona la formación de datos para la unidad de indicación sobre la presencia de un objeto metálico. En el detector de metales considerado, los parámetros del borde posterior de la señal de pulso secundario se utilizan para el análisis. La unidad receptora (Fig. 3.15) incluye un amplificador de señal de entrada de dos etapas, un analizador y un circuito de indicación de sonido.
La señal de un objeto metálico es recibida por la bobina L1 y, a través de un circuito de protección hecho en los diodos D1 y D2, se alimenta a un amplificador de retroalimentación capacitiva de dos etapas hecho en los amplificadores operacionales IC4 e IC5. Desde la salida de IC5 (salida IC5 / 6), se alimenta una señal de pulso amplificada al circuito analizador, realizado en microcircuitos IC6-IC8. Los amplificadores IC6 e IC7 se apagan constantemente durante el funcionamiento del dispositivo, y la tensión de alimentación se les aplica solo cuando los pulsos estroboscópicos llegan a las entradas correspondientes (salidas IC6/8 y IC7/8), cuya duración es cada uno 9 μs (un ciclo). Al mismo tiempo, se aplica un pulso estroboscópico al amplificador IC6, retrasado en relación al final del pulso activador del transmisor seleccionado por 30-100 μs, y al amplificador IC7 - retrasado en relación al final del primer pulso estroboscópico por 200 ms. La necesidad de dicho retraso se explica por el hecho de que la forma de la señal recibida depende de la influencia de muchos factores extraños, por lo que la señal útil solo se puede observar en un intervalo de aproximadamente 400 μs después del final del pulso. En este caso, una señal útil es un aumento de la tensión positiva cuando la bobina L1 se acerca a un objeto metálico como resultado de un aumento de la duración del borde de salida del pulso secundario en comparación con el pulso emitido. Al final de la tensión de alimentación en las salidas de cada amplificador (microcircuitos IC6 e IC7) durante varios segundos, se mantiene el nivel de la señal recibida fijada durante la exposición a los pulsos estroboscópicos. Por lo tanto, la señal de pulso recibida se aplica a una de las entradas del amplificador correspondiente (terminales IC6/3 y IC7/3), y el pulso estroboscópico correspondiente del módulo de conformación y sincronización de pulsos (pines IC6/8 y IC7/8). Las señales generadas en las salidas de IC6 e IC7 (pines IC6 / 5 e IC7 / 5) luego se alimentan a las entradas correspondientes del amplificador diferencial hecho en el chip IC8. En este caso, la señal de la salida del amplificador IC6 pasa a través de una resistencia variable R45, con la que se ajusta la sensibilidad del dispositivo. Si hay un objeto metálico en el área de cobertura del detector de metales, los niveles de señal en las entradas correspondientes del amplificador diferencial (pines IC8/2 y IC8/3) serán los mismos. Como resultado, la salida de este amplificador (pin IC8/6) será baja. La caída de voltaje en la salida del amplificador IC8 conduce a la apertura del transistor T9 y la conexión al cable común de los auriculares BF1. Cuando se recibe una señal de control desde la salida correspondiente del microcontrolador (pin IC1 / 11) al transistor T10, se escuchará una señal de audiofrecuencia en los teléfonos. La resistencia R44 limita la corriente que fluye a través de los auriculares BF1. Al seleccionarlo, puede ajustar el volumen de la señal acústica. La fuente de alimentación de este detector de metales se realiza desde la fuente B1 con un voltaje de 12 V. Detalles y construcción Todas las partes del dispositivo en consideración (con la excepción de la bobina de búsqueda L1, la resistencia R45, el interruptor P1 y el interruptor S1) están ubicadas en una placa de circuito impreso que mide 105x65 mm (Fig. 3.16), hecha de lámina de doble cara getinax o textolita.
No hay requisitos especiales para las piezas utilizadas en este dispositivo. Se recomienda utilizar condensadores y resistencias de pequeño tamaño que puedan colocarse en una placa de circuito impreso sin ningún problema (Fig. 3.17).
El IC de tipo LF357 (IC4) se puede reemplazar con un LM318 o NE5534; sin embargo, esto puede ocasionar problemas de configuración. Como amplificador IC5, además del chip LF356 indicado en el diagrama, puede usar el chip CA3140. Los chips como LF398 (IC6, IC7) se reemplazan fácilmente por MAC198. En lugar del amplificador CA3140 (IC8), puede usar el chip TL071. Como transistores T1-T3, además de los indicados en el diagrama del circuito, puede usar transistores como BU2508, BU2515 o ST2408. La frecuencia de funcionamiento del resonador de cuarzo debe ser de 3,5 MHz. Sin embargo, puede utilizar cualquier otro elemento de cuarzo con una frecuencia de resonancia de 2 a 6 MHz. Para montar el microprocesador IC1, use un zócalo especial. En este caso, el microcontrolador se instala en la placa solo después de completar todo el trabajo de instalación. Esta condición también debe observarse al realizar trabajos de ajuste relacionados con la soldadura al seleccionar los valores de los elementos individuales. Se debe prestar especial atención a la fabricación de la bobina L1, cuya inductancia debe ser de 500 μH. La bobina L1 está hecha en forma de anillo con un diámetro de 250 mm y contiene 30 vueltas de alambre con un diámetro de no más de 0,5 mm. Cuando se usa un cable de mayor diámetro, la corriente en la bobina aumentará, pero las corrientes parásitas de Foucault aumentarán aún más rápido, lo que conducirá a un deterioro en la sensibilidad del dispositivo. Para la fabricación de la bobina, no se recomienda utilizar alambre barnizado, ya que la diferencia de potencial entre espiras adyacentes durante la emisión de un pulso alcanza los 20 V. Si, durante el devanado de las espiras de la bobina, hay conductores cerca, por ejemplo , la primera y quinta vuelta, la rotura del aislamiento está prácticamente garantizada. Esto puede provocar fallas en los transistores del transmisor y otros elementos. Por lo tanto, el cable utilizado en la fabricación de la bobina L1 debe estar al menos aislado con PVC. También se recomienda que la bobina terminada esté bien aislada. Para hacer esto, puede usar resina epoxi o varios rellenos de espuma. La bobina L1 debe conectarse a la placa mediante un cable bien aislado de dos núcleos, cuyo diámetro de cada núcleo no debe ser menor que el diámetro del cable del que está hecha la bobina. No se recomienda usar cable coaxial debido a su importante capacitancia inherente. La fuente de las señales de sonido pueden ser auriculares con una impedancia de 8 a 32 ohmios o un pequeño altavoz con una impedancia de bobina similar. Se recomienda utilizar una batería recargable con una capacidad de aproximadamente 1 Ah como fuente de alimentación para B2, ya que la cantidad de corriente consumida por este detector de metales es de al menos 200 mA. La placa de circuito impreso con los elementos ubicados en ella y la fuente de alimentación se colocan en cualquier alojamiento adecuado. En la cubierta de la carcasa están instalados una resistencia variable R45, un interruptor P1, conectores para conectar auriculares BF1 y una bobina L1, así como un interruptor S1. Establecimiento Este dispositivo debe ajustarse en condiciones en las que se retire cualquier objeto metálico de la bobina de búsqueda L1 a una distancia de al menos 1,5 m.La peculiaridad de configurar y ajustar el detector de metales en cuestión es que sus bloques y cascadas individuales se conectan gradualmente. En este caso, cada operación de conexión (soldadura) se realiza con la fuente de alimentación apagada. En primer lugar, se requiere verificar la presencia y la magnitud del voltaje de suministro en los pines correspondientes del zócalo del microcircuito IC1 en ausencia de un microcontrolador. Si el voltaje de suministro es normal, debe instalar un microprocesador en la placa y usar un frecuencímetro u osciloscopio para verificar la señal en los pines IC1/4 e IC1/5. La frecuencia de la señal piloto en estos pines debe coincidir con la frecuencia de operación del resonador de cuarzo usado. Después de conectar los transistores del convertidor de voltaje (sin carga), el consumo de corriente debería aumentar en 50 mA. El voltaje a través del capacitor C10 en ausencia de carga debe ser de aproximadamente 20 V. Luego, se deben conectar las etapas del transmisor. Los modos de funcionamiento de los transistores T1-T4 deben ser los mismos y se configuran seleccionando los valores de las resistencias R13-R16. La resistencia de la bobina L1, derivada por las resistencias R1-R3, debe ser de aproximadamente 500 ohmios. En este caso, las conexiones de la bobina y las resistencias deben estar bien soldadas, ya que una falla de contacto en este circuito conlleva la falla de los transistores de salida del transmisor. Para verificar el funcionamiento de las etapas del transmisor, puede sostener la bobina L1 cerca de su oído y encender el detector de metales. Aproximadamente medio segundo después (después de reiniciar el microcontrolador), se puede escuchar una señal de tono bajo, cuya aparición se debe a la microvibración de las vueltas individuales de la bobina. En este caso, se formará un pulso puntiagudo no modulado con una duración de aproximadamente 1-3 μs en los colectores de los transistores T10-T20, cuya forma se puede controlar con un osciloscopio. Un aumento en la resistencia de las resistencias R1-R3 conduce a un aumento en la amplitud del pulso de salida con una disminución en su duración. Para seleccionar el valor de resistencia de la derivación de la bobina L1, no se recomienda usar una resistencia variable, ya que incluso una violación a corto plazo del contacto del motor con la pista que transporta corriente puede provocar la falla de los transistores de salida de el transmisor Por lo tanto, es deseable cambiar gradualmente el valor de la derivación en pasos de 50 ohmios. Antes de reemplazar piezas, la fuente de alimentación del dispositivo debe estar apagada. A continuación, puede proceder al establecimiento de la parte receptora. Si todas las partes están en buen estado y la instalación se realiza correctamente, luego de encender el detector de metales (aproximadamente 20 μs después del final del pulso de inicio), se puede observar una señal que aumenta exponencialmente en la salida del chip IC4 (pin IC4 / 6) usando un osciloscopio, convirtiéndose en una señal de nivel constante. La distorsión del frente de esta señal se elimina mediante la selección de las resistencias R1-R3, desviando la bobina L1. Después de eso, debe verificar la forma y la amplitud de la señal en la salida del chip IC5 (pin IC5 / 6). La amplitud máxima de esta señal se establece seleccionando el valor de la resistencia R36. En la salida de IC6 (pin IC6 / 5) se debe generar una señal constante, según el pulso seleccionado con el interruptor P1, así como la presencia de objetos metálicos en el área de la bobina L1. Idealmente, esta señal debería estar cerca de cero para todas las posiciones del interruptor P1. En conclusión, queda establecer correctamente la posición del pulso de medición ejemplar con respecto al pulso de inicio. Para ello, basta con seleccionar una frecuencia de funcionamiento adecuada seleccionando un resonador de cuarzo Q1. Procedimiento de trabajo Antes del uso práctico de este detector de metales, debe configurar el retardo de pulso mínimo con el interruptor P1 y la sensibilidad máxima con la resistencia R45. Si durante la operación aparece un objeto metálico en el área de cobertura de la bobina de búsqueda L1, aparecerá una señal acústica en los auriculares. Cabe señalar que cambiar al modo de funcionamiento con un retraso de pulso más largo garantizará la exclusión de la influencia no solo de las propiedades magnéticas del suelo, sino que también eliminará la reacción del dispositivo a todo tipo de objetos extraños (clavos oxidados, papel de aluminio de paquetes de cigarrillos, etc.) y posteriores búsquedas inútiles. Autor: Adamenko M.V.
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