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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Metalldetektor mit erhöhter Empfindlichkeit auf Transistoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren Die Funktionsweise des Metalldetektors, dessen Schaltung und Aufbau in diesem Abschnitt besprochen werden, basiert auf dem Prinzip der Analyse von Änderungen in den Schwingungsschlägen zweier Generatoren, von denen die Frequenz eines stabil ist und die Frequenz des zweiten ändert sich, wenn ein Metallgegenstand im Abdeckungsbereich des Geräts erscheint. Bei der Arbeit an diesem Gerät wurde versucht, einen Metalldetektor zu schaffen, der eine Reihe von Nachteilen anderer ähnlicher Konstruktionen nicht aufweist. Obwohl die Schaltung dieses Geräts vor mehr als 20 Jahren entwickelt wurde, gehören zu seinen Vorteilen eine relativ hohe Empfindlichkeit, Betriebsstabilität und die Fähigkeit, zwischen Nichteisen- und Eisenmetallen zu unterscheiden. Die verwendeten Schaltungslösungen sorgten für eine erhöhte Stabilität der Betriebsfrequenzen der Generatoren, wodurch Schwebungsfrequenzen im Bereich von 1 bis 10 Hz abgeschätzt werden konnten. Dadurch ist die Empfindlichkeit des Geräts gestiegen und auch der von ihm verbrauchte Strom ist gesunken. Schematische Darstellung Wie bereits erwähnt, ist das vorgeschlagene Design eine der vielen Optionen für Metalldetektoren vom Typ BFO (Beat Frequency Oscillator), das heißt, es handelt sich um ein Gerät, das auf dem Prinzip der Analyse der Schwebungen zweier Frequenzen basiert (Abb. 2.10).
Die Basis des Gerätes bilden ein Mess- und Referenzoszillator, ein HF-Schwingungsdetektor, ein Vorverstärker, ein erster Begrenzungsverstärker, eine Differenzierschaltung, ein zweiter Begrenzungsverstärker und ein Niederfrequenzverstärker. Als Mess- und Referenzoszillatoren dienten zwei einfache LC-Generatoren auf Basis der Transistoren T1 und T2. Diese Transistoren sind Teil der Mikroschaltung K159NT1G, bei der es sich um ein Paar identischer Transistoren handelt, die sich im selben Gehäuse befinden. Durch den Einsatz einer Transistoranordnung kann die Temperaturstabilität von Generatorfrequenzen deutlich erhöht werden. Jeder Generator ist nach einer kapazitiven Dreipunktschaltung aufgebaut, wobei die Transistoren T1 und T2 nach einer Schaltung mit gemeinsamer Basis verbunden sind. Die Anregung von Schwingungen wird durch die Einführung einer positiven Rückkopplung zwischen Kollektor und Emitter jedes Transistors sichergestellt. Die Betriebsfrequenz der Generatoren wird durch die Parameter der Frequenzeinstellschaltungen bestimmt, die zwischen den Kollektoren und Emittern der Transistoren T1 und T2 angeschlossen sind. In diesem Fall sind die frequenzeinstellenden Elemente des ersten Generators, der die Funktionen eines Messgenerators übernimmt, die Suchspule L1 und die Kondensatoren C1, C2 und C3. Die Betriebsfrequenz des zweiten Referenzgenerators wird durch die Parameter der Induktivität L2 sowie der Kondensatoren C6, C7 und C9 bestimmt. In diesem Fall sind beide Generatoren auf eine Betriebsfrequenz von 40 kHz abgestimmt. Über die Widerstände R1-R4 werden die Betriebsarten der Transistoren T1 und T2 für Gleichstrom eingestellt. Beim Einrichten des Geräts wird der Referenzoszillator durch Ändern der Kapazität des Kondensators C6 grob auf die ausgewählte Harmonische der Schwebungsfrequenz abgestimmt. In diesem Fall kann die Kapazität des Kondensators C6 zwischen 100 und 330 pF variieren. Die Feineinstellung der Schwebungsfrequenz erfolgt über den variablen Widerstand R7, mit dessen Hilfe sich die Vorspannung der Zenerdiode D1, die in dieser Schaltung als Varicap fungiert, ändert. Nähert sich die Suchspule L1 des Schwingkreises des abstimmbaren Generators einem Metallgegenstand, ändert sich ihre Induktivität, was zu einer Änderung der Betriebsfrequenz des Generators führt. Befindet sich außerdem ein Gegenstand aus Eisenmetall (ferromagnetisch) in der Nähe der Spule L1, erhöht sich dessen Induktivität, was zu einer Verringerung der Frequenz des Generators führt. Nichteisenmetall verringert die Induktivität der Spule L1 und die Betriebsfrequenz des Generators erhöht sich. Das durch die Mischung der Signale von Mess- und Referenzoszillator entstehende HF-Signal wird am Lastwiderstand R5 isoliert. In diesem Fall ändert sich die Amplitude des Signals mit der Schwebungsfrequenz, die gleich der Differenz der Frequenzen der HF-Signale ist. Die niederfrequente Hüllkurve des HF-Signals wird von einem speziellen Detektor erfasst, der auf den Dioden D2 und D3 basiert und eine Spannungsverdopplungsschaltung verwendet. In diesem Fall sorgt der Kondensator C11 für die Filterung der Hochfrequenzkomponente des Signals. Von der Detektorlast, dem Widerstand R6, wird das niederfrequente Schwebungssignal über den Kondensator C12 einem Vorverstärker am Transistor T3 zugeführt. Vom Kollektor des Transistors T3 wird das verstärkte Signal über den Kondensator C13 dem ersten Begrenzungsverstärker zugeführt, der am Transistor T4 erzeugt wird und für die Bildung von Rechteckimpulsen sorgt. Über einen Teiler aus den Widerständen R11 und R12 wird eine Vorspannung an die Basis des Transistors T4 angelegt, bei der sich der Transistor an der Öffnungsschwelle befindet. Das an der Basis des Transistors T4 ankommende Sinussignal wird auf beiden Seiten begrenzt. Dadurch entstehen an der Kaskadenlast Rechteckimpulse, deren Rolle der Widerstand R13 übernimmt, die durch die Schaltung C14, R14, R15 weiter differenziert und in spitze Spitzen umgewandelt werden. In diesem Fall bildet sich am Ort der Vorderseite jedes Impulses ein Peak positiver Polarität und am Ort des Abfalls ein Peak negativer Polarität. Es ist zu beachten, dass die Dauer dieser Spitzen nicht von der Wiederholungsrate der Rechteckimpulse und ihrer Dauer abhängt. Positive Spitzen gehen zur Basis des Transistors T5 und negative Spitzen werden von der Diode D4 abgeschnitten. Der Transistor T5 arbeitet wie der Transistor T4 im Schaltmodus und begrenzt das Eingangssignal, so dass an der durch die Widerstände R16 und R17 gebildeten Kollektorlast kurze Rechteckimpulse fester Dauer entstehen. Der Kondensator C15 filtert das Ausgangssignal und verbessert die Klangfarbe des Signals im BF1-Kopfhörer. Vom Widerstand R16, der als Lautstärkeregler fungiert, gelangt das Signal zu einer Verstärkerstufe aus den Transistoren T6 und T7, die nach der sogenannten Verbundtransistorschaltung geschaltet sind. Mit dieser Verbindung wird ein Äquivalent zu einem Hochleistungs-PNP-Leitungstransistor mit einem hohen Stromübertragungskoeffizienten gebildet. Anschließend wird das verstärkte Signal an den BF1-Kopfhörer gesendet. Das bei dieser Konstruktion verwendete Verfahren zur Erzeugung eines Impulssignals aus einem Sinussignal ermöglicht eine Reduzierung der Leistungsaufnahme des Verstärkers, insbesondere in der Ausgangsstufe, da die Transistoren T5, T6 und T7 in den Pausen zwischen den Impulsen geschlossen sind. Der Metalldetektor wird von der Quelle B1 mit einer Spannung von 4,5 V versorgt, wobei der Stromverbrauch 2 mA nicht überschreitet. Details und Design Beim Zusammenbau eines Metalldetektors mit erhöhter Empfindlichkeit werden keine besonderen Anforderungen an die verwendeten Teile gestellt. Die einzige Einschränkung betrifft die Gesamtabmessungen, da die meisten Teile dieses Geräts auf einer 70 x 110 mm großen Leiterplatte aus einseitiger Getinax- oder Glasfaserfolie montiert sind. Die Leiterplatte ist für den Einsatz von Festwiderständen MLT-0,125, Kondensatoren KSO, PM, MBM, K50-6 oder ähnlichem ausgelegt (Abb. 2.11). Wenn Sie dieses Design als Transistorbaugruppe (Transistoren T1 und T2) wiederholen, können Sie die Mikroschaltung K159NT1 mit einem beliebigen Buchstabenindex verwenden. Heutzutage ist es jedoch nicht immer möglich, es zu finden. Daher wird empfohlen, bei Bedarf anstelle einer Transistoranordnung zwei Transistoren vom Typ KT315G mit gleichen oder möglicherweise ähnlichen Parametern (statischer Stromübertragungskoeffizient und anfänglicher Kollektorstrom) zu verwenden.
In den Verstärkerstufen (Transistoren T3, T4 und T5) können anstelle von Transistoren vom Typ KT342B auch Transistoren vom Typ KT315G, KT503E oder KT3102A - KT3102E eingebaut werden. Ein Transistor vom Typ KT502E (T6) ist vollständig durch KT361 und ein Transistor vom Typ K503E (T7) durch KT315 mit beliebigen Buchstabenindizes austauschbar. Allerdings muss in diesem Fall der Kopfhörer hochohmig sein (Typ TON-2 oder TEG-1). Bei Verwendung von Telefonen mit niedriger Impedanz muss der T7-Transistor leistungsstärker sein, beispielsweise vom Typ KT603B oder KT608B. Als Zenerdiode D1 können Sie auch Zenerdioden vom Typ D808-D813 oder KS156A verwenden. Die Dioden D2 und D3 können beliebige Dioden der Serien D1, D9 oder D10 sein. Spule L2 enthält 250 Windungen PEV-2-Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm, gewickelt auf einen Magnetkern SB-23-11a. Bei der Herstellung können auch andere Kerne verwendet werden. Hauptsache, die Induktivität der fertigen Spule beträgt 4 mH. Die Messspule L1 enthält 100 Windungen PEV-1-Draht mit einem Durchmesser von 0,3 mm und ist in Form eines Torus mit einem Durchmesser von 160 mm gefertigt. Es ist einfacher, diese Spule auf einem starren Rahmen herzustellen, aber Sie können darauf verzichten. In diesem Fall kann jeder geeignete runde Gegenstand, beispielsweise ein Glas, als temporärer Rahmen verwendet werden. Die Windungen der Spule werden in großen Mengen gewickelt, anschließend vom Rahmen entfernt und mit einer elektrostatischen Abschirmung abgeschirmt, bei der es sich um ein offenes Band aus Aluminiumfolie handelt, das über ein Bündel von Windungen gewickelt ist. Der Abstand zwischen Anfang und Ende der Bandwicklung (der Abstand zwischen den Enden des Siebes) muss mindestens 10 mm betragen. Bei der Herstellung der Spule L1 muss darauf geachtet werden, dass die Enden des Abschirmbandes nicht kurzgeschlossen werden, da in diesem Fall eine kurzgeschlossene Windung entsteht. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit kann die Spule mit Epoxidkleber imprägniert werden. Die Leiter eines zweiadrigen abgeschirmten Kabels mit einer Länge von etwa einem Meter sollten an die Spulenklemmen angelötet werden, an deren anderem Ende ein Stecker vom Typ SSh-3 oder ein anderer geeigneter kleiner Stecker installiert ist. Das Kabelgeflecht muss mit dem Spulenschirm verbunden werden. In der Betriebsposition ist der Spulenstecker mit dem passenden Teil des Steckers am Gerätekörper verbunden. Der hochempfindliche Metalldetektor wird von der Quelle B1 mit einer Spannung von 4,5 V gespeist. Als solche Quelle können Sie beispielsweise eine sogenannte Quadratbatterie vom Typ 3336L oder drei in Reihe geschaltete Elemente vom Typ 316, 343 verwenden . Die Leiterplatte mit den darauf befindlichen Elementen und das Netzteil werden in ein beliebiges geeignetes Kunststoff- oder Holzgehäuse gelegt. Auf dem Gehäusedeckel befinden sich die variablen Widerstände R7 und R16, der Anschluss X1 zum Anschluss der Suchspule L1, der Schalter S1 und der Anschluss X2 zum Anschluss des Kopfhörers BF1. Einrichtung Wie bei der Einstellung anderer Metalldetektoren muss die Einstellung dieses Geräts unter Bedingungen durchgeführt werden, bei denen Metallgegenstände in einer Entfernung von mindestens 1 m von der L1,5-Suchspule entfernt werden. Die eigentliche Installation eines Metalldetektors sollte mit der Auswahl der gewünschten Schlagfrequenz beginnen. Hierzu empfiehlt sich die Verwendung eines Oszilloskops oder eines digitalen Frequenzzählers. Beim Arbeiten mit einem Oszilloskop muss dessen Sonde an den Verbindungspunkt der Widerstände R1, R4, R5 und des Kondensators C8, also an den Detektoreingang, angeschlossen werden. Die Wellenform an diesem Punkt ähnelt der Wellenform eines modulierten HF-Signals. Als nächstes müssen Sie durch Anpassen der Spule L2 und Auswahl der Kapazitäten der Kondensatoren C2 und C6 sicherstellen, dass die Modulationsfrequenz (Schwebungsfrequenz) etwa 10 Hz beträgt. Wenn Sie einen digitalen Frequenzmesser zum Einrichten eines Metalldetektors verwenden, sollte der Frequenzmesser zuerst an den Kollektorkreis des Transistors T1 und dann an den Kollektor des Transistors T2 angeschlossen werden. Durch die Auswahl der Parameter der zuvor genannten Elemente (Induktivität der Spule L2, Kapazität der Kondensatoren C2 und C6) muss sichergestellt werden, dass die Differenz der Signalfrequenzen an den Kollektoren der Transistoren T1 und T2 etwa 10 Hz beträgt. Als nächstes wird durch Auswahl des Widerstands R8 die maximale Verstärkung der Kaskade am Transistor T3 eingestellt. Wenn Sie kein Oszilloskop und keinen Frequenzmesser haben, können Sie die gewünschte Schwebungsfrequenz auch ohne diese auswählen. In diesem Fall müssen Sie zunächst den Schieberegler des Widerstands R7 in die mittlere Position bringen und dann durch Drehen des Abstimmkerns der Spule L2 Klickgeräusche mit einer Frequenz von ca. 1-5 Hz in den Telefonen erzeugen. Wenn Sie die gewünschte Frequenz nicht einstellen können, sollten Sie die Kapazität des Kondensators C6 wählen. Um den Einfluss des Bodenhintergrunds zu reduzieren, sollte die endgültige Auswahl der Schwebungsfrequenz dann erfolgen, wenn sich die L1-Suchspule dem Boden nähert. Damit ist die Einrichtung eines Metalldetektors mit erhöhter Empfindlichkeit abgeschlossen. Ablauf der Arbeit Im praktischen Einsatz dieses Metalldetektors sollte der variable Widerstand R7 verwendet werden, um die erforderliche Frequenz des Schwebungssignals aufrechtzuerhalten, die sich ändert, wenn die Batterie entladen ist, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert oder wenn die magnetischen Eigenschaften des Bodens abweichen. Sie müssen auch die Lautstärke der Klicks mit dem R16-Regler anpassen. Befindet sich während des Betriebs ein Metallgegenstand im Bereich der Suchspule L1, ändert sich die Signalfrequenz in den Telefonen. Bei der Annäherung an einige Metalle nimmt die Frequenz des Schwebungssignals zu, bei der Annäherung an andere nimmt sie ab. Durch Ändern des Tons des Schwebungssignals können Sie mit etwas Erfahrung leicht feststellen, aus welchem Metall, ob magnetisch oder nicht magnetisch, das erkannte Objekt besteht. Mit Hilfe eines solchen Metalldetektors können kleine Objekte, wie zum Beispiel Nägel, in einer Tiefe von 10–15 cm unter der Bodenschicht aufgespürt werden, große Objekte (zum Beispiel Brunnenabdeckungen) in einer Tiefe von 50–60 cm . Autor: Adamenko M. V.
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