Простой металлоискатель на одной микросхеме и транзисторах

Совсем не просто обнаружить под слоем земли или снега металлическую крышку колодца или отыскать, например, водопроводную трубу не говоря уже о сундуке набитого древними золотыми монетами. Помогают в таких случаях специальные приборы — металлоискатели.

В статье простой металлоискатель мы рассматривали схему 60 годов, которую легко можно собрать, обладая минимальными знаниями радиотехники. Несмотря на простоту, схема устройства работает безупречно. В материале данной статьи рассмотрим схему более совершенного и в тоже время  несложного устройства.

Предлагаемый металлоискатель обладает сравнительно высокой чувствительностью, стабилен в работе и позволяет различать цветные и черные металлы. Металлоискатель собран на одной микросхеме (транзисторной сборке) и нескольких транзисторах. По характеристикам прибор не только не уступает многим промышленным образцам, но и по ряду показателей превосходит их.

Принцип работы металлоискателя

В основе работы металлоискателя лежит принцип биений частот двух генераторов, один из которых опорный, а другой - перестраиваемый, обладающего более высокой чувствительностью.

При приближении выносной катушки колебательного контура перестраиваемого генератора к металлу ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение частоты генератора. Если вблизи катушки находится предмет из черного металла (ферромагнетика), индуктивность катушки увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной же металл уменьшает индуктивность, и частота генератора возрастает.

Небольшие изменения частоты перестраиваемого генератора после смешения его колебаний с колебаниями опорного генератора, настроенного примерно на ту же частоту, проявляется в заметном изменении частоты биений. Сигнал с частотой биений далее усиливается и поступает на звуковой или стрелочный индикатор.

Принципиальная схема металлоискателя и описание ее работы

Предлагаемый металлоискатель свободен от ряда недостатков, присущих другим аналогичным конструкциям. Он обладает повышенной стабильностью генераторов, что дает возможность работать на частоте биений 1... 10 Гц. А это, в свою очередь, повышает чувствительность прибора, снижает потребляемый им от источника питания ток и позволяет различать черные и цветные металлы.

Мелкие предметы, например, гвозди, прибор обнаруживает под слоем почвы на глубине до 15 см, а крупные (крышки колодцев) - на глубине до 60 см. Прибор можно запитать от трех пальчиковых батареек, схема потребляет ток менее 2 мА.

Рис. 2 Принципиальная схема металлоискателя

Оба генератора выполнены на микросхеме К159НТ1Г которая представляет собой пару идентичных по параметрам транзисторов, размещенных в одном корпусе. Это позволяет существенно повысить температурную стабильность частот генераторов. Каждый генератор собран по схеме емкостной трехточки, транзисторы включены по схеме с общей базой. Генерация образуется благодаря введению положительной обратной связи между коллектором и эмиттером транзисторов. Частотозадающими элементами первого генератора являются катушка индуктивности L1 (она выносная) и конденсаторы С1-СЗ, а второго - катушка L2 и конденсаторы С6, С7, С9. Генераторы настроены на частоту 40 кГц. Конденсатор С6 предназначен для грубого подбора частоты одного из генераторов при настройке прибора на нужную частоту биений. Его емкость может быть 100...300 пФ. Стабилитрон V3 используется как варикап, которым осуществляют точную подстройку частоты биений, изменяя смешение на нем переменным резистором R7.

Резисторы R1—R4 задают режим работы транзисторов V1, V2 по постоянному току. Результирующий высокочастотный сигнал, полученный при смещении двух сигналов с близкими частотами, выделяется на резисторе R5 — это резистор нагрузки. Амплитуда сигнала изменяется с частотой биений, которая равна разности частот высокочастотных сигналов. Для выделения низкочастотной огибающей сигнала используется детектор, собранный на диодах V4 и V5 по схеме удвоения напряжения. Конденсатор С11 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала.

С нагрузки детектора низкочастотный сигнал биений поступает через конденсатор С12 на предварительный усилитель, выполненный на транзисторе V6. С его коллектора усиленный сигнал подается через конденсатор С13 на усилитель — формирователь прямоугольных импульсов на транзисторе V7. На базу этого транзистора через резисторы R11, R12 подается такое напряжение смещения, при котором транзистор находится на пороге открывания.

Поступающий на базу транзистора V7 синусоидальный сигнал претерпевает двустороннее ограничение и в результате на нагрузке каскада (резистор R13) выделяются прямоугольные импульсы. Далее они дифференцируются цепью C14R14R15 и превращаются в остроконечные пики положительной полярности на месте фронта каждого импульса и отрицательной полярности на месте спада. Длительность этих пиков не зависит от частоты следования прямоугольных импульсов и их длительности.

Положительные пики поступают на базу транзистора V9, а отрицательные «срезаются» диодом V8. Транзистор V9, как и V7, работает в ключевом режиме и ограничивает входной сигнал так, что на коллекторной нагрузке (резисторы R16 и R17) формируются короткие прямоугольные импульсы фиксированной длительности. Конденсатор С15 фильтрует выходной сигнал и улучшает тембр звучания головных телефонов В1.

С резистора R16 (это регулятор громкости) сигнал поступает на каскад из двух транзисторов (V10 и V11), включенных несколько необычно. Это так называемый композитный транзистор, эквивалентный p-n-p транзистору повышенной мощности с большим коэффициентом передачи тока.

Подобный способ формирования импульсного сигнала из синусоидального позволяет снизить потребляемую усилителем мощность, особенно в выходном каскаде, поскольку в паузах между импульсами транзисторы V9-V11 закрыты.

Конструкция и детали металлоискателя

Конструкция металлоискателя несложная. Радиодетали его можно смонтировать на печатной плате размерами 70x110 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Она рассчитана на использование постоянных резисторов МЛТ-0,125, конденсаторов КСО, 11М, МБМ, К50-6. Стабилитрон V3 может быть, кроме указанного на схеме, Д808 - Д813, КС156А. Диоды V4, V5 - любые из серий Д1, Д9, Д10. Вместо транзистора КТ342Б подойдет КТ315Г, КТ503Е, КТ3102А - КТ3102Е. Транзистор КТ502Е заменим на КТ361, а КТ503Е - на КТ315 с любыми буквенными индексами. Но в этом случае головные телефоны должны быть высокоомные (из отечественных это ТОН-2, ТЭГ-1). При использовании низкоомных телефонов, например, наушники для смартфонов, транзистор V11 должен быть более мощный, например КТ603Б или КТ608Б. Микросхема К159НТ1 может быть с любым буквенным индексом. В крайнем случае вместо нее подойдут два транзистора КТ315Г с одинаковыми или возможно близкими параметрами (статическим коэффициентом передачи тока и начальным током коллектора).

Катушку L2 можно намотать на магнитопроводе СБ-23-11a. Индуктивность катушки 4 мГ. Число витков 250, провод ПЭВ-2 0,1.

Плата размещена в подходящем корпусе размерами 115x170x40 мм. На лицевой панели корпуса укреплены переменные резисторы R7 (СП-1) и R16 (любой конструкции, но совмещенный с выключателем S1), входной разъем X1 (СГ-3) и гнезда Х2, ХЗ для подключения вилок от головных телефонов.

Выносная катушка металлоискателя L1 содержит 100 витков провода ПЭВ-1 0,3 и выполнена в виде тора (кольца) диаметром 160 мм. При изготовлении катушки можно использовать в качестве временного каркаса любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки укладывают внавал, после чего катушку снимают и экранируют — обматывают фольгой так, чтобы между концами экрана был зазор. Для повышения механической прочности катушку пропитывают эпоксидным клеем и укрепляют с помощью перемычки со стойкой на штанге из дерева или пластмассы.

К выводам катушки подпаивают проводники кабеля длиной около метра, на другом конце которого установлен разъем СШ-3. Оплетку кабеля соединяют с экраном катушки. В рабочем положении разъем катушки включают в разъем прибора, а прибор носят на плече (для этого к уголкам на корпусе прикрепляют ремень). В нерабочем положении штангу отсоединяют от катушки и вынимают разъем ее из разъема прибора.

Настройка и налаживание схемы металлоискателя

Налаживание металлоискателя сводится к подбору нужной частоты биений. При этом резистор R7 нужно установить в среднее положение и вращением подстроечника катушки L2 добиться появления в телефонах щелчков частотой 1...5 Гц. Если нужная частота не получается, подбирают конденсатор Сб. Далее подбором резистора R8 устанавливают максимальный коэффициент усиления каскада на транзисторе V6.

Подстроечником катушки L2 можно установить различное соотношение частот генераторов, что приведет как к увеличению частоты биений при приближении поисковой катушки к цветному металлу, так и к обратному результату. В процессе работы переменным резистором R7 поддерживают необходимую частоту биений, которая изменяется при разряде батареи, изменении температуры окружающей среды и изменении магнитных свойств грунта. Окончательно частоту биений подбирают при приближении выносной катушки к земле.