2.5. Металлоискатель с повышенной чувствительностью
В основу работы металлоискателя, схема и конструкция которого рассмотрены в данном разделе, положен принцип анализа изменений биений колебаний двух генераторов, частота одного из которых стабильна, а частота второго изменяется при появлении в зоне действия прибора металлического предмета.
При работе над данным устройством была сделана попытка создать металлодетектор, свободный от ряда недостатков, присущих другим аналогичным конструкциям.
Несмотря на то что схема этого прибора была разработана более 20 лет назад, к его достоинствам следует отнести сравнительно высокую чувствительность, стабильность в работе, а также возможность отличать цветные и черные металлы. Использованные схемотехнические решения обеспечили повышенную стабильность рабочих частот генераторов, что позволило оценивать частоты биений в диапазоне от 1 до 10 Гц. Как следствие, повысилась чувствительность прибора, а также снизился потребляемый им ток.
Как уже указывалось, предлагаемая конструкция представляет собой один из многочисленных вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух частот (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Принципиальная схема металлоискателя с повышенной чувствительностью
Основу прибора составляют измерительный и опорный генераторы, детектор ВЧ-колебаний, предварительный усилитель, первый усилитель-ограничитель, дифференцирующая цепь, второй усилитель-ограничитель и усилитель низкой частоты.
В качестве измерительного и опорного генераторов использованы два простых LC-генератора, выполненные на транзисторах Т1 и Т2. Эти транзисторы входят в состав микросхемы К159НТ1Г, которая представляет собой пару идентичных по параметрам транзисторов, размещенных в одном корпусе. Использование транзисторной сборки позволяет существенно повысить температурную стабильность частот генераторов.
Каждый генератор собран по схеме емкостной трехточки, при этом транзисторы Т1 и Т2 включены по схеме с общей базой.
Возбуждение колебаний обеспечивается благодаря введению положительной обратной связи между коллектором и эмиттером каждого транзистора. Рабочая частота генераторов определяется параметрами частотозадающих цепей, включенных между коллекторами и эмиттерами транзисторов Т1 и Т2. При этом частотозадающими элементами первого генератора, который выполняет функции измерительного генератора, являются поисковая катушка L1 и конденсаторы С1, С2 и С3. Рабочая частота второго, опорного, генератора определяется параметрами катушки индуктивности L2, а также конденсаторов С6, С7 и С9. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту 40 кГц. С помощью резисторов R1-R4 обеспечивается установка режимов работы транзисторов T1 и T2 по постоянному току.
В процессе настройки прибора изменением емкости конденсатора С6 осуществляется грубая настройка опорного генератора на выбранную гармонику частоты биений. При этом емкость конденсатора С6 может изменяться в пределах от 100 до 330 пФ. Точная настройка частоты биений выполняется переменным резистором R7, с помощью которого изменяется смещение на стабилитроне D1, который в данной схеме выступает в роли варикапа.
При приближении поисковой катушки L1 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. При этом, если вблизи катушки L1 находится предмет из черного металла (ферромагнетика), ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной же металл уменьшает индуктивность катушки L1, а рабочая частота генератора возрастает.
ВЧ-сигнал, сформированный в результате смешивания сигналов измерительного и опорного генераторов, выделяется на нагрузочном резисторе R5. При этом амплитуда сигнала изменяется с частотой биений, которая равна разности частот ВЧ-сигналов.
Низкочастотная огибающая ВЧ-сигнала детектируется специальным детектором, выполненным на диодах D2 и D3 по схеме удвоения напряжения. При этом конденсатор С11 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала.
С нагрузки детектора, в роли которой выступает резистор R6, низкочастотный сигнал биений через конденсатор С12 подается на предварительный усилитель, выполненный на транзисторе T3.
С коллектора транзистора T3 усиленный сигнал через конденсатор С13 поступает на первый усилитель-ограничитель, выполненный на транзисторе T4 и обеспечивающий формирование прямоугольных импульсов. С помощью делителя, составленного резисторами R11 и R12, на базу транзистора T4 подается такое напряжение смещения, при котором транзистор находится на пороге открывания.
Поступающий на базу транзистора T4 синусоидальный сигнал ограничивается с двух сторон. В результате на нагрузке каскада, роль которой исполняет резистор R13, формируются прямоугольные импульсы, которые далее дифференцируются цепью C14, R14, R15 и преобразуются в остроконечные пики. При этом на месте фронта каждого импульса формируется пик положительной полярности, а на месте спада – пик отрицательной полярности. Следует отметить, что длительность этих пиков не зависит от частоты следования прямоугольных импульсов и их длительности.
Положительные пики поступают на базу транзистора T5, а отрицательные срезаются диодом D4. Транзистор T5, как и транзистор T4, работает в ключевом режиме и ограничивает входной сигнал так, что на коллекторной нагрузке, образуемой резисторами R16 и R17, формируются короткие прямоугольные импульсы фиксированной длительности. Конденсатор С15 фильтрует выходной сигнал и улучшает тембр звучания сигнала в головных телефонах ВF1.
С резистора R16, который является регулятором громкости, сигнал поступает на усилительный каскад, выполненный на транзисторах T6 и T7, включенных по схеме так называемого составного транзистора. При таком включении формируется эквивалент транзистору проводимости p-n-p повышенной мощности с большим коэффициентом передачи тока. Затем усиленный сигнал поступает на головные телефоны ВF1.
Примененный в данной конструкции способ формирования импульсного сигнала из синусоидального позволяет снизить потребляемую усилителем мощность, особенно в выходном каскаде, поскольку в паузах между импульсами транзисторы T5, Т6 и T7 закрыты.
Питание металлодетектора осуществляется от источника В1 напряжением 4,5 В, при этом потребляемый ток не превышает 2 мА.
К используемым деталям при сборке металлоискателя с повышенной чувствительностью не предъявляются какие-либо особые требования. Единственное ограничение связано с габаритными размерами, поскольку большая часть деталей данного прибора смонтирована на печатной плате размерами 70х110 мм, выполненной из одностороннего фольгированного гетинакса или стеклотекстолита. Печатная плата рассчитана на использование постоянных резисторов МЛТ-0,125, конденсаторов КСО, ПМ, МБМ, К50-6 или им аналогичных (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя с повышенной чувствительностью
При повторении данной конструкции в качестве транзисторной сборки (транзисторы Т1 и Т2) можно использовать микросхему К159НТ1 с любым буквенным индексом. Однако в настоящее время ее не всегда можно найти. Поэтому при необходимости вместо транзисторной сборки рекомендуется использовать два транзистора типа КТ315Г с одинаковыми или возможно близкими параметрами (статическим коэффициентом передачи тока и начальным током коллектора).
В усилительных каскадах (транзисторы Т3, Т4 и Т5) вместо транзисторов типа КТ342Б можно установить транзисторы типа КТ315Г, КТ503Е или КТ3102А – КТ3102Е. Транзистор типа КТ502Е (Т6) вполне заменим на КТ361, а транзистор типа К503Е (Т7) – на КТ315 с любыми буквенными индексами. Но в этом случае головные телефоны должны быть высокоомными (типа ТОН-2 или ТЭГ-1). При использовании низкоомных телефонов транзистор Т7 должен быть более мощным, например типа КТ603Б или КТ608Б.
В качестве стабилитрона D1 также можно использовать стабилитроны типа Д808-Д813 или КС156А. Диоды D2 и D3 могут быть любыми из серий Д1, Д9 или Д10.
Катушка L2 содержит 250 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм, намотанных на магнитопроводе СБ-23-11а. При ее изготовлении можно использовать и другие сердечники. Главное – чтобы индуктивность готовой катушки составила 4 мГ.
Измерительная катушка L1 содержит 100 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,3 мм и выполнена в виде тора диаметром 160 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В этом случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет, например банку. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и экранируются электростатическим экраном, который представляет собой незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 10 мм.
При изготовлении катушки L1 нужно внимательно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для повышения механической прочности катушку можно пропитать эпоксидным клеем.
К выводам катушки следует подпаять проводники двужильного экранированного кабеля длиной около метра, на другом конце которого устанавливается разъем типа СШ-3 или любой другой подходящий малогабаритный разъем. Оплетку кабеля необходимо соединить с экраном катушки. В рабочем положении разъем катушки подключается к ответной части разъема, расположенной на корпусе прибора.
Питание металлоискателя повышенной чувствительности осуществляется от источника В1 напряжением 4,5 В. В качестве такого источника можно использовать, например, так называемую квадратную батарейку типа 3336Л или три элемента типа 316, 343, соединенные последовательно.