Электронный датчик — это прибор, изменяющий свое состояние в зависимости от внешних воздействий и преобразующее их кинетическую, механическую, акустическую (и др.) энергию в электрический ток. В статье описываются варианты изготовления и применения датчиков различного назначения.
Почти любой датчик может быть изготовлен несколькими разными способами. Даже в обычных бытовых и «полевых» условиях можно изготовить простые датчики самостоятельно, без потери их качества. Сами по себе датчики являются только частью электрического устройства (как элемент — частью схемы). Радиолюбительские датчики применяются повсеместно в непрофессиональной аппаратуре, изготовленной самими радиолюбителями.
Механические датчики
На рис.1 показан вариант плоского механического датчика. Монтируя один или несколько таких датчиков под любым современным (мягким) «половым» покрытием, к примеру, ковролином, линолеумом, или, как иной вариант, даже под обоями на стене, удается необычным образом управлять нагрузкой в электрической цепи 220 В, например освещением. Такой вариант уместен в прихожей, там, где «половые» механические датчики, представляющие собой две проводящие электрический ток пластины — плоские кнопки на замыкание, являются элементами электронного устройства, управляющего слаботочным электромагнитным реле, включающим освещение. В качестве примера простейших механических датчиков промышленного изготовления с контактами на замыкание приведу пример участка плоской клавиатуры (калькулятора или иного устройства).
При нажатии ногой или рукой на плоскость такого датчика (или нажатии рукой на определенное место на стене квартиры, офиса, если датчики-кнопки установлены под обоями) фольгированные контакты датчика замыкаются, и импульс слабого тока по соединительным проводам поступает на электрическую схему управления. Чувствительность такого плоского датчика высокая — он реагирует даже на небольшую нагрузку (собака или кот весом более 2 кг, пройдясь по датчику, способен включить свет). Важно для широкого круга читателей, что его вполне можно изготовить самостоятельно, применив смекалку, относительно тонкий диэлектрик и небольшое количество фольги (пищевой, оберточной или иной).
Как видно из рис.1, на плотную фольгу (толщина листа 1 мм) накладывают картон (толщина 1…2 мм) с прорезанным внутри отверстием, а уже сверху на него накладывают еще один слой фольги. К токопроводящей фольге (вполне подходит плотная фольга на бумажной основе) аккуратно припаивают тонкие гибкие проводники, к примеру, провод МГТФ-0,07.
Весь получившийся «бутерброд» затем ламинируют для механической надежности датчика и изоляции его от внешней среды, включая возможную влажную среду. Ламинировать можно с помощью специальной пленки (продается в магазинах канцтоваров) для ламинаторов.
Вариант ламинирования двух электрических пластин с диэлектриком между ними
В качестве материала для альтернативного ламинирования используют полиэтиленовую папку-карман для бумаг или школьных принадлежностей — ее нужно разрезать по размеру датчика, вложить фольгу и картон внутрь и через тряпочку прогладить утюгом. Можно просто обклеить датчик скотчем. Если в схеме управления используются помехоустойчивые элементы, то длина соединительных проводов от датчиков до элементов электрической схемы может составлять несколько метров.
Если изготовить такой датчик в несколько слоев, чередуя проводник и диэлектрик, то получившийся «толстый бутерброд» можно использовать как датчик силы воздействия (нажима), или даже как датчик взвешивания людей (прообраз напольных весов). Вариантов применения механического плоского датчика много, а его особенностью, как рассмотрено выше, является возможность легкой маскировки. Плоский датчик надежен и долговечен.
Акустические датчики
На рис.2 и рис.3 показаны две разные электрические схемы весьма чувствительного акустического датчика, вырабатывающего пачки импульсов при звуковом воздействии, отличном от спокойного акустического фона. Схема на операционном усилителе (рис.2) использует в качестве датчика воздействия пьезоэлемент.
Такой вариант неоднократно публиковался в сочетании с другими типами операционных усилителей (далее — ОУ), поэтому он не претендует на оригинальность. В качестве пьезоэлемента использован капсюль ЗП-22, который из-за невысокой чувствительности реагирует только на удары, однако с успехом может применяться в охранных устройствах, например, для охраны целостности стеклянных окон. Для этого капсюль нужно надежно приклеить к стеклу, и датчик будет выдавать одиночные импульсы при ударах по стеклу и при постукиваниях в районе расположения капсюля.
Чем больше площадь стекла (охраняемой зоны), тем более чувствительным должен быть датчик. Он может применяться для охраны со стороны внешних стекол и витрин в магазинах и офисах.
Чем больше сопротивление резистора R4 на входе компаратора, тем чувствительнее схема. С выхода компаратора (вывод 6) импульс поступает на ключевую схему. Конденсатор C1 (К50-24, К50-29, К50-35) фильтрует помехи по питанию.
На рис.3 показан более чувствительный вариант акустического датчика. В качестве микрофона ВМ1 используется любой угольный микрофон от старых телефонных аппаратов (МК-10, МК-16-У и аналогичные).
В таких микрофонах находится угольный порошок, очень чувствительный к сотрясениям и звуковым волнам, он изменяет сопротивление микрофона по постоянному току. Эти импульсы и улавливает усилитель на транзисторах VT1-VT4.
Транзисторный усилитель НЧ собран таким образом, что коэффициент усиления второго каскада вдвое больше, чем у первого. На электрической схеме показан усилитель с большой чувствительностью, однако, если такая чувствительность не является необходимой, то можно обойтись только одним каскадом на составном транзисторе \/Т1,VT2.
Усилитель НЧ работоспособен в широких пределах напряжения питания схемы.
С коллектора последнего транзистора пачки импульсов поступают на ключевую или формирующую последовательность импульсов схему (к примеру, одновибратор). Усиление эффективно регулируется резистором R1 (чем больше его сопротивление, тем чувствительнее схема) и в незначительных пределах резистором R6.
Многие знают о недостатках угольных микрофонов, и я здесь не буду скрывать их от читателя. Действительно, отрицательной особенностью устройства на основе приведенной схемы является его инерционность, обусловленная свойствами самих угольных микрофонов. Но для некоторых радиолюбительских разработок приведенная электрическая схема практически незаменима по своей простоте, эффективности и «финансовому» взносу, ведь угольный микрофон можно приобрести практически за бесценок.
Проводники от микрофона к электрической схеме должны иметь минимальную длину. Транзисторы можно применять любые из серий КТ3107, КТ361 или аналогичные импортные.
Рассмотренные варианты схем акустических датчиков могут найти разное практическое применение, к примеру, использоваться как акустический датчик, реагирующий на разговор в помещении и включающий локальную электрическую подсветку (бра).
Если корпус устройства вместе с микрофоном смонтировать на полу, то тогда устройство будет оповещать о приближении человека задолго до его подхода к датчику. Звук от шагов человека по полу передается на несколько метров, таким образом, вариантов применения акустического датчика в 2-4-комнатной «обычной» квартире (деревенском доме) даже на устаревшем угольном микрофоне очень много.
Индуктивный датчик
Его вариантов также несколько.
На рис.4 показан относительно простой датчик, реагирующий на магнитное поле, создаваемое переменным током. Когда вблизи обмотки катушки L1 протекает даже небольшой переменный ток (десятки мА), он «наводится» в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе.
Усилитель для этой схемы (вместо VT1 и VT2) может быть любой конфигурации, но обязательно с большим коэффициентом усиления по току. Катушку наматывают проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1…0,15 мм «внавал», 2500 витков, на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляют сердечник из феррита марки 600-2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25…40 мм.
С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке L1. Если в качестве катушки применить магнитную антенну (используемую для приема радиостанций в диапазонах ДВ и СВ), можно получить прибор, реагирующий на радиоволны определенной длины. Как необычный вариант катушки, можно использовать катушку, в том числе «плоскую» намотку из магнитной карты доступа, представленной (в раскрытом виде) на рис.5.
Чувствительность устройства регулируют резистором R1 задающим смещение на составном транзисторе. Чем больше сопротивление переменного резистора, тем чувствительнее схема.
Для оптимального режима усиления (так как напряжение питания этой схемы может быть разным) номинал резистора R2 подбирают так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА.
На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводке на расстоянии до 5 см от него. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада электрической схемы (для исключения наводок) должна стремиться к минимуму.
переменным током. Когда вблизи обмотки катушки L1 протекает даже небольшой переменный ток (десятки мА), он «наводится» в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе.
Усилитель для этой схемы (вместо VT1 и VT2) может быть любой конфигурации, но обязательно с большим коэффициентом усиления по току. Катушку наматывают проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1…0,15 мм «внавал», 2500 витков, на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляют сердечник из феррита марки 600-2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25…40 мм.
С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке L1. Если в качестве катушки применить магнитную антенну (используемую для приема радиостанций в диапазонах ДВ и СВ), можно получить прибор, реагирующий на радиоволны определенной длины. Как необычный вариант катушки, можно использовать катушку, в том числе «плоскую» намотку из магнитной карты доступа, представленной (в раскрытом виде) на рис.5.
Чувствительность устройства регулируют резистором R1 задающим смещение на составном транзисторе. Чем больше сопротивление переменного резистора, тем чувствительнее схема.
Для оптимального режима усиления (так как напряжение питания этой схемы может быть разным) номинал резистора R2 подбирают так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА.
На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводке на расстоянии до 5 см от него. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада электрической схемы (для исключения наводок) должна стремиться к минимуму.
Датчик тока
Конструкция устройства показана на рис.6.
Этот датчик представляет собой геркон с намоткой по всей длине стеклянного корпуса изолированного обмоточного провода диаметром 0,08…0,1 мм. Намотка «внавал» содержит 300-400 витков (в зависимости от практического назначения датчика).
Когда по обмотке протекает электрический ток, геркон под воздействием магнитной индукции замыкает / размыкает (в зависимости от типа геркона) контакты, коммутируя электрическую цепь.
На основе этого датчика радиолюбитель может самостоятельно изготовить «токовое реле», соединив один из контактов геркона с концом обмотки, как показано на рис. 7.
Сразу после замыкания в электрической цепи, протекающий через нагрузку ток создает падение напряжения на обмотке L1.
Падение напряжения на обмотке прямо пропорционально силе тока в этой цепи. Наведенное напряжение создаст небольшое электромагнитное поле, которое будет достаточным для воздействия на контакты геркона, которые (согласно схеме, показанной на рис.7) заблокируют саму электрическую цепь.
Когда нагрузка обесточится (или ток в ее цепи уменьшится, что может произойти в силу разных причин), падение напряжения на L1 уменьшится, уменьшится магнитное поле, и контакты геркона разомкнутся.
Чувствительность такого датчика зависит от количества витков L1 и силы тока в цепи. Токовое реле, как и электромагнитный датчик, имеет много вариантов применения в радиотехнических конструкциях.
Литература
1. Кашкаров А.П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики // СПб.: Наука и Техника, 2007.
2. Кашкаров А.П. Датчики в электронных схемах: от простого к сложному. — М.: ДМК Пресс, 2013.
Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург
Источник: Радиоаматор №11/12, 2014
