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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Batir detector de metales. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / detector de metales El detector de metales propuesto está diseñado para la búsqueda de objetos "a corta distancia". Se ensambla según el esquema más simple. El dispositivo es compacto y fácil de fabricar. La profundidad de detección es:
esquema estructural El diagrama de bloques se muestra en la Fig. 8. Consta de varios bloques funcionales. Un oscilador de cristal es una fuente de pulsos rectangulares de frecuencia estable.
Se conecta un circuito oscilatorio al generador de medición, que incluye un sensor: un inductor. Las señales de salida de ambos generadores se alimentan a las entradas de un detector síncrono, que genera una señal de frecuencia diferente en su salida. Esta señal tiene una forma aproximadamente de diente de sierra. Para facilitar el procesamiento posterior, la señal del detector síncrono se convierte mediante un disparador Schmidt en una señal rectangular. El dispositivo de indicación está diseñado para generar una señal de sonido de frecuencia diferencial utilizando un emisor piezoeléctrico y para mostrar visualmente el valor de esta frecuencia mediante un indicador LED. Diagrama esquemático El diagrama esquemático del detector de metales desarrollado por el autor se muestra en la Fig. 9.
El oscilador de cuarzo tiene un circuito similar al de un generador de detector de metales basado en el principio de “transmisión-recepción”, pero implementado en inversores D1.1-D1.3. La frecuencia del generador se estabiliza mediante un resonador Q de cuarzo o piezocerámico con una frecuencia de resonancia de 215 Hz ~ 32 kHz ("reloj de cuarzo"). El circuito R1C2 evita que el generador se excite con armónicos más altos. El circuito PIC se cierra a través de la resistencia R2 y el circuito PIC se cierra a través del resonador Q. El generador es simple, tiene un bajo consumo de corriente de la fuente de energía, funciona de manera confiable con un voltaje de suministro de 3 a 15 V y no contiene elementos ajustados ni resistencias demasiado altas. La frecuencia de salida del generador es de unos 32 kHz. Se necesita un disparador de conteo adicional D2.1 para generar una señal con un ciclo de trabajo exactamente igual a 2, que se requiere para el circuito detector síncrono posterior. generador de medida El generador en sí se implementa en una etapa diferencial utilizando transistores VT1, VT2. El circuito PIC se implementa galvánicamente, lo que simplifica el circuito. La carga de la cascada diferencial es el circuito oscilatorio L1C1. La frecuencia de generación depende de la frecuencia de resonancia del circuito oscilatorio y, en cierta medida, de la corriente de funcionamiento de la etapa diferencial. Esta corriente está determinada por las resistencias R3 y R3'. El ajuste de frecuencia del generador de medición durante la configuración del dispositivo se realiza de forma aproximada (seleccionando la capacitancia C1) y suavemente ajustando el potenciómetro R3'. Para convertir la señal de salida de bajo voltaje de la etapa diferencial a niveles lógicos estándar de chips CMOS digitales, se utiliza una etapa de emisor común en el transistor VT3. Un conformador con disparador Schmidt en la entrada del elemento D3.1 proporciona flancos de pulso pronunciados para el funcionamiento normal del disparador de conteo posterior. Se necesita un disparador de conteo adicional D2.2 para generar una señal con un ciclo de trabajo exactamente igual a 2, que se requiere para el circuito detector síncrono posterior. detector síncrono El detector consta de un multiplicador implementado en el elemento "OR exclusivo" D4.1 y un circuito integrador R6C4. Su señal de salida tiene una forma similar a la de un diente de sierra y la frecuencia de esta señal es igual a la diferencia entre las frecuencias del oscilador de cuarzo y el oscilador de medición. Gatillo Schmidt El disparador Schmidt está implementado en el elemento D3.2 y genera pulsos rectangulares a partir del voltaje en diente de sierra del detector síncrono. Dispositivo de demostracion Se trata simplemente de un potente inversor buffer, implementado en los tres inversores restantes D1.4-D1.6, conectados en paralelo para aumentar la capacidad de carga. La carga del dispositivo de visualización es un LED y un emisor piezoeléctrico. Tipos de piezas y diseño. Los tipos de microcircuitos utilizados se dan en la Tabla. cuatro Tabla 4. Tipos de microcircuitos utilizados
En lugar de microcircuitos de la serie K561, es posible utilizar microcircuitos de la serie K1561. Puede intentar utilizar algunos microcircuitos de la serie K176. ¡Las entradas de elementos no utilizados de microcircuitos digitales no se pueden dejar desconectadas! Deben estar conectados a un bus común o a un bus de alimentación. Los transistores VT1, VT2 son elementos de un conjunto de transistores integrado del tipo K159NT1 con cualquier letra. Se pueden sustituir por transistores discretos con conductividad npn de los tipos KT315, KT312, etc. Transistor VT3: tipo KT361 con cualquier letra o tipo similar con conductividad pnp. No existen requisitos especiales para las resistencias utilizadas en el circuito del detector de metales. Sólo necesitan tener un diseño sólido y ser fáciles de instalar. La disipación de potencia nominal debe ser de 0,125...0,25 W. El potenciómetro de compensación R3' es preferentemente del tipo multivuelta SP5-44 o con ajuste nonio del tipo SP5-35. Puede arreglárselas con potenciómetros convencionales de cualquier tipo. En este caso es recomendable utilizar dos en serie. Uno es para un ajuste aproximado, con un valor nominal de 1 kOhm. El otro es para ajuste fino, con una potencia nominal de 100 ohmios. El inductor L1 tiene un diámetro de devanado interno de 160 mm y contiene 100 vueltas de alambre. Tipo de cable: PEL, PEV, PELSHO, etc. Diámetro del alambre 0,2...0,5 mm. Consulte a continuación el diseño de la bobina. El condensador C3 es electrolítico. Tipos recomendados: K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 y otros pequeños. El resto de condensadores, a excepción del condensador del circuito oscilatorio de la bobina del generador de medida, son cerámicos del tipo K10-7, etc. El condensador del circuito C1 es especial. Se le imponen altas exigencias en términos de precisión y estabilidad térmica. El condensador consta de varios (5...10 unidades) condensadores individuales conectados en paralelo. La sintonización aproximada del circuito a la frecuencia del oscilador de cuarzo se realiza seleccionando el número de condensadores y su clasificación. Tipo recomendado de condensadores K10-43. Su grupo de estabilidad térmica es MPO (es decir, aproximadamente cero TKE). Es posible utilizar condensadores de precisión de otros tipos, por ejemplo K71-7. En última instancia, puede intentar utilizar condensadores de mica térmicamente estables con placas de plata, como KSO o condensadores de poliestireno. LED VD1 tipo AL336 o similar de alta eficiencia. Cualquier otro LED visible también funcionará. Resonador de cuarzo Q: cualquier reloj de cuarzo de tamaño pequeño (también se usan similares en juegos electrónicos portátiles). Emisor piezoeléctrico Y1: puede ser del tipo ZP1-ZP18. Se obtienen buenos resultados cuando se utilizan emisores piezoeléctricos de teléfonos importados (se utilizan en grandes cantidades en la producción de teléfonos con identificador de llamadas). El diseño del dispositivo puede ser bastante arbitrario. A la hora de desarrollarlo es recomendable tener en cuenta las recomendaciones recogidas en los apartados de sensores y diseño de carcasas. La placa de circuito impreso de la parte electrónica del detector de metales se puede fabricar mediante cualquiera de los métodos tradicionales, también es conveniente utilizar placas de circuito impreso prototipos ya preparados para carcasas de chips DIP (paso de 2,5 mm). Configuración del dispositivo Se recomienda configurar el dispositivo en la siguiente secuencia. 1. Verifique la correcta instalación según el diagrama esquemático. Asegúrese de que no haya cortocircuitos entre conductores adyacentes de la placa de circuito impreso, patas adyacentes de microcircuitos, etc. 2. Conecte la batería o fuente de alimentación de 9V, observando estrictamente la polaridad. Encienda el dispositivo y mida el consumo actual. Debería ser de unos 10 mA. Una fuerte desviación del valor especificado indica una instalación incorrecta o un mal funcionamiento de los microcircuitos. 3. Asegúrese de que haya una onda cuadrada pura con una frecuencia de aproximadamente 3.1 kHz en la salida del oscilador de cuarzo y en la salida del elemento D32. 4. Asegúrese de que haya señales con frecuencias de aproximadamente 2.1 kHz en las salidas de los activadores D2.2 y D16. 5. Asegúrese de que haya un voltaje de frecuencia de diferencia de diente de sierra en la entrada del elemento D3.2 y pulsos rectangulares en su salida. 6. Asegúrese de que el dispositivo de visualización esté funcionando, visual y auditivamente. Posibles modificaciones El diseño del dispositivo es extremadamente sencillo y por eso sólo podemos hablar de mejoras adicionales. Éstas incluyen: 1. Adición de un indicador LED de frecuencia logarítmica opcional. 2. Uso de un sensor de transformador en un generador de medición. Echemos un vistazo más de cerca a estas modificaciones. Indicador de frecuencia logarítmica El indicador de frecuencia logarítmica es un indicador LED avanzado. Su escala consta de ocho LED separados. Cuando la frecuencia medida alcanza un cierto umbral, el LED correspondiente en la escala se enciende, los otros siete no se encienden. La peculiaridad del indicador es que los umbrales de respuesta de frecuencia de los LED vecinos difieren entre sí en un factor de dos. En otras palabras, la escala del indicador tiene una graduación logarítmica, lo cual es muy conveniente para un dispositivo como un detector de metales. El diagrama esquemático de un indicador de frecuencia logarítmica se muestra en la Fig. 10. A pesar de que el circuito de este indicador fue desarrollado por el autor de forma independiente, no pretende ser original, ya que una búsqueda de patentes mostró que se conocen circuitos similares. Sin embargo, tanto el circuito indicador en sí como su implementación sobre la base de elementos domésticos son, en opinión del autor, de cierto interés.
El indicador logarítmico funciona de la siguiente manera. La entrada del indicador recibe una señal de la salida del disparador Schmidt del circuito detector de metales (ver Fig. 9). Esta señal es la entrada para los contadores binarios D5.1-D5.2 (la numeración continúa según el esquema de la Fig. 9). Estos contadores se ponen a cero periódicamente mediante una señal de alto nivel del oscilador auxiliar del disparador Schmidt D3.3 con una frecuencia de aproximadamente 10 Hz. En el flanco ascendente de la señal del generador auxiliar, el estado de los contadores también se registra en los registros paralelos de cuatro bits D6 y D7. Así, en las salidas de los registros D6 y D7 hay un código digital para la frecuencia de la señal de batido. Es posible convertir este código en una escala logarítmica de forma bastante sencilla (y este es el "punto culminante" de este esquema) si la iluminación del LED de escala correspondiente se ajusta en correspondencia con la aparición de un uno en un determinado bit de la frecuencia. código con todos ceros en los bits superiores del código. Evidentemente, esta tarea debe realizarse mediante un circuito combinacional. La implementación más simple de dicho circuito consiste en repetir periódicamente enlaces de elementos OR. El circuito práctico utiliza los elementos NOR D8, D9 junto con potentes inversores buffer D10, D11. A la salida del circuito se obtiene una señal lógica para controlar los LED de escala en forma de “onda de unidades”. Desde el punto de vista del ahorro de energía de la batería, por supuesto, es más recomendable hacer que la báscula no tenga la forma de una columna de LED luminosa (hasta 8 piezas a la vez), sino la forma de un punto en movimiento desde un LED brillante. Para ello, los LED de la línea indicadora se conectan entre las salidas del circuito combinacional. Para frecuencias muy bajas, es aún más adecuada una indicación LED parpadeante. En el esquema propuesto, se combina con el comienzo de la escala de LED y se apaga tan pronto como se enciende el siguiente segmento. Seleccionando los elementos R8, C5, se puede cambiar el valor de frecuencia del generador auxiliar, cambiando así el límite de la escala de frecuencia. Tipos de piezas y diseño. Los tipos de microcircuitos utilizados se dan en la Tabla. cuatro Tabla 4. Tipos de microcircuitos utilizados
En lugar de microcircuitos de la serie K561, es posible utilizar microcircuitos de la serie K1561. Puede intentar utilizar algunos microcircuitos de la serie K176. El cableado de los circuitos de alimentación y la numeración de pines para los microcircuitos D8-D11 no se muestran por simplicidad. LEDs VD2-VD9 tipo AJ1336 o similar de alta eficiencia. Sus resistencias de ajuste de corriente R9-R17 tienen la misma clasificación de 1,0...5,1 kOhm. Cuanto menor sea la resistencia de estas resistencias, más brillantes brillarán los LED. Sin embargo, es posible que la capacidad de carga de los microcircuitos K561LN2 no sea suficiente. En este caso, se recomienda utilizar inversores de salida conectados en paralelo en el circuito indicador. La forma más conveniente de organizar esta conexión en paralelo es simplemente soldar paquetes de chips adicionales del mismo tipo (hasta 4 unidades) encima de cada uno de los chips K561LN2 instalados en el circuito. sensor de transformador La idea de un sensor transformador para detectores de metales es simple y elegante. Se conoce desde hace mucho tiempo y surgió del deseo de simplificar el diseño de la bobina sensora del detector de metales. Un inconveniente común de un sensor detector de metales típico de cualquier diseño es el gran número (más de 100) de vueltas de la bobina. Como resultado, la estructura del sensor se vuelve insuficientemente rígida, lo que requiere medidas especiales como marcos adicionales, relleno con resina epoxi, etc. Además, la capacitancia parásita de dicha bobina es grande y para eliminar señales falsas debido al acoplamiento capacitivo de la bobina (bobinas) con la tierra y el cuerpo del operador, es necesario proteger los devanados. La forma de eliminar las deficiencias enumeradas es simple y obvia: es necesario utilizar una bobina que conste de un número mínimo de vueltas: ¡una vuelta! Naturalmente, esta solución no funciona "de frente", ya que la insignificante inductancia de una vuelta requeriría capacidades gigantescas de los condensadores de los circuitos oscilantes, generadores de señales con una enorme corriente de salida y trucos especiales para garantizar un factor de alta calidad. Y aquí toca recordar la existencia de un dispositivo diseñado para igualar impedancias, para convertir señales alternas de alto voltaje con baja corriente en señales de bajo voltaje con alta corriente, y viceversa en el caso de un transformador. De hecho, tomemos un transformador con una relación de transformación de aproximadamente cien y conectemos su devanado reductor a una vuelta, que es el sensor del detector de metales, y el devanado elevador al circuito del detector de metales en lugar de un inductor. Estructuralmente, una vuelta de dicho sensor transformador se puede realizar de diversas formas. Por ejemplo, puede ser un anillo de alambre unipolar de cobre o aluminio con una sección transversal de 6... 10 mm.2 para cobre y 10...35 mm2 para aluminio. Los conductores internos de los cables de alimentación son cómodos de usar. Para reducir el peso y aumentar la rigidez, se puede hacer una bobina con un tubo de metal. Es posible hacer una bobina a partir de papel de aluminio pegándolo a un material en láminas e incluso a partir de un laminado de fibra de vidrio normal. En cualquier lugar conveniente, la bobina se conecta a tierra conectándola al bus común del dispositivo, lo que garantiza la compensación de los acoplamientos capacitivos parásitos. La influencia de estas conexiones para un diseño de sensor dado es varios órdenes de magnitud menor debido al menor valor del módulo de impedancia de una vuelta. El sensor transformador le permite implementar un diseño plegable de un detector de metales compacto. Su esquema se muestra en la Fig. 11. El transformador del sensor está fabricado sobre un núcleo magnético toroidal instalado directamente en la placa del detector de metales, alojado en una caja de plástico. El devanado reductor del transformador y la bobina del sensor son estructuralmente una sola unidad en forma de un marco rectangular hecho de alambre de cobre unipolar aislado con una sección transversal de 6 mm2, cerrado mediante soldadura. Este marco tiene la capacidad de girar. Cuando está plegado, el marco se ubica alrededor del perímetro del cuerpo del dispositivo y no ocupa espacio adicional. En posición de trabajo gira 180°. Para garantizar la fijación del marco se utilizan casquillos de sellado de goma u otro material similar. También es posible utilizar cualquier otro elemento de fijación mecánico del marco adecuado.
La sección transversal del conductor a partir del cual está hecha la bobina sensora del transformador no debe ser menor que la sección transversal total de todas las espiras que componen una bobina sensora de detector de metales convencional. Esto es necesario no solo para darle a la estructura la resistencia y rigidez necesarias, sino también para garantizar que el factor de calidad del circuito oscilatorio con un transformador análogo del inductor no sea demasiado bajo (por cierto, cuando se usa un giro como una bobina radiante, ¡la corriente en ella puede alcanzar decenas de amperios!). Por la misma razón, es necesaria la selección adecuada de la sección transversal del cable del devanado reductor del transformador. Puede tener una sección transversal más pequeña que la sección transversal del conductor de la bobina, pero su resistencia óhmica no debe ser mayor que la resistencia óhmica de la bobina. Para reducir las pérdidas debidas a la resistencia óhmica, es necesario conectar con mucho cuidado la espira al devanado reductor del transformador. El método de conexión recomendado es soldadura (para una bobina de cobre) y soldadura con gas inerte (para una bobina de aluminio). Los siguientes requisitos se aplican al transformador. En primer lugar, debe funcionar con bajas pérdidas a la frecuencia requerida. En la práctica, esto significa que su núcleo magnético debe estar fabricado de ferrita de baja frecuencia. En segundo lugar, sus devanados no deberían contribuir notablemente a la impedancia del sensor. En la práctica, esto significa que la inductancia del devanado reductor debería ser notablemente mayor que la inductancia del devanado de espira. Para núcleos magnéticos de ferrita toroidal con permeabilidad magnética μ=2000 y con un diámetro de más de 30 mm, esto es válido incluso para una vuelta del devanado reductor. En tercer lugar, la relación de transformación debe ser tal que la inductancia del devanado elevador cuando la bobina del sensor está conectada al devanado reductor sea aproximadamente la misma que la de una bobina convencional de un sensor típico. Desafortunadamente, las ventajas del sensor transformador superan significativamente sus desventajas sólo en el caso de los detectores de metales batidos. Para dispositivos más sensibles, dicho sensor no es aplicable debido a su sensibilidad bastante alta a las deformaciones mecánicas, lo que provoca señales falsas que aparecen durante el movimiento. Es por eso que el sensor transformador se analiza únicamente en la sección dedicada al detector de metales. Autor: Shchedrin A.I.
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