Induktiv beröringsfri närvarogivare/detektor med oscillator, (Proximity switch) Om spolar och resonanskretsar Pot Core Såväl motstånd som kondensatorer kan vi oftast betrakta som ideala, det vill säga som rena resistanser respektive kapacitanser. Med spolar är det en helt annan sak. Här måste vi specificera induktans, Q-värde, frekvensområde och hur stor ström som ska flyta genom spolen. Det vanliga är därför att man måste beräkna och låta tillverka spolar speciellt för varje tillämpning. Luftspolars induktans kan beräknas med formler och tabeller ur handböcker. De är rätt mödosamma att använda, och ännu svårare är det att beräkna induktanser med järnkärna. Det finns speciella ferritkärnor, Pot Core, som är utförda som ett hölje som helt omsluter lindningen (höljet består av två halvor). För sådana finns ett enkelt samband mellan induktans L och antal lindningsvarv N. (Under förutsättning att strömmen i spolen är så låg att ferritkärnan inte mättas). L = A L N 2 A L -värdet är en konstant som fabrikanten anger för varje typ av kärna. Spolen lindas på en spolstomme, en bobbin. Det finns bobbiner med plats för flera lindningar så att man även kan linda transformatorer. Försökutrustningens resonanskrets Försöksutrustningen består av ena halvan av en Pot Core -kärna. Inuti denna finns en huvudlindning N 1 med 40 varv, och en återkopplingslindning N 2 med 2 varv. Det hela har monterats på ett litet veroboardkort tillsammans med två kondensatorer. Huvudlindningen N 1 bildar tillsammans med en kondensator på 820 pf, en resonanskrets med resonansfrekvensen i storleksordningen 1 MHz. 1
Mätningar på den lösa resonanskretsen Tag bort resonanskretsen från kopplingsdäcket (om den sitter fastsatt där). Anslut stiften 1 och 2 till 555-tongeneratorn (inställd för fyrkantvåg, hög utspänning, hög frekvens) och Scopemetern. Varje "språng" hos fyrkantvågen ger resonanskretsen en "kick". Med oscilloskopet kan man studera hur många perioder resonanskretsen kan hålla sig svängande efter varje "kick". Ju fler perioder som syns på oscilloskopskärmen, desto bättre Q-värde har LC-kretsen (högt Q-värde innebär låg dämpning och låga förluster). Tips! Figuren visar hur man grovt kan uppskatta Q-värdet från skärmbilden ( antalet positiva halvperioder N inom tidkonstanten τ multiplicerat med π, blir i figuren Q = 9 ). Ska man bygga en oscillator med en resonanskrets får inte dämpningen vara för hög. Efterklangen måste fortsätta i åtminstone 1,5 perioder. Pröva med att hålla olika metallföremål nära Pot Core -kärnans öppning. Vad händer? Hur påverkas Q-värdet och förlusterna? (Beröringsfria närvarogivare utnyttjar det faktum att metallföremål i närheten av en resonanskrets påverkar dess Q-värde.) Plats för anteckningar, dina kommentarer: Glöm inte att stänga av 555-tongeneratorn efter användningen, annars tar batteriet slut! 2
Om oscillatorkretsen Figuren visar en transistoroscillator, som brukligt är uppkallas den efter uppfinnaren, Armstrong. Med resistorn R B ställer man in den arbetspunkt som oscillatorn startar i. En lämplig arbetspunkt får man om matningspänningen 9 V delas lika mellan R C och transistorn U CE, det vill säga 4,5 V över vardera komponenten. ( R B = 320 kω ger ungefär denna arbetspunkt.) För att en oscillation ska kunna starta, krävs det förstärkning. Om en förstärkares utsignal återföres till ingången utan att ha fasvridits ( det vill säga med 0 eller 360 fasvridning ), blir det rundgång och en "självsvängning" kan starta. Det som krävs för detta är att förstärkningen är så hög att den övervinner all den dämpning som kan finnas. Armstrongkopplingens spole är egentligen en "transformator". Den växelspänning som finns över resonanskretsen transformeras över till transistorns Bas. Under växelspänningens positiva halvperiod förstärker transistorn strömmen, och det är dessa förstärkta strömpulser som håller igång ("kickar") svängningskretsen. För att få rena sinusformade svängningar måste det också finnas någon motverkande faktor som stryper förstärkningen för att förhindra att spänningen växer okontrollerat. Hos Armstrongkopplingen är svängningskretsen ansluten till transistorns Emitter. Blir (den positiva) spänningen här för hög, så minskas automatiskt basströmmen genom R B så att "strömkickarna" blir svagare. Mätningar på oscillatorkretsen (var inte rädd för att anpassa oscilloskopinställningarna) Transistoroscillatorn finns uppkopplad på ett kopplingsdäck enligt figuren. Vi använder transistorn BC108 B. Kontrollera arbetspunkten. Koppla en kortslutningsbygel över resonanskretsen ( mellan stift 1 och 2 ) för att förhindra oscillatorn att starta, och mät därefter spänningen mellan kollektorn och jord (batteriets minuspol), U C (= U CE ). Scopemetern ska vara inställd för mätning av DCV. U CE [V] = (Ligger arbetspunkten i närheten av halva matningsspänningen?) 3
Mät spänningen över resonanskretsen ( mellan stift 1 och stift 2, jord ). Ta först bort kortslutningen så att oscillatorn startar. Scopemetern ska vara DC-kopplad. Mät frekvensen, spänningens toppvärde ( = PEAK MAX), spänningens bottenvärde ( = PEAK MEAN) och spänningens medelvärde ( = DCV ). Uppskatta spänningens kurvform (borde vara en ren sinus). f [MHz] U MAX [V] U MIN [V] U DC [V] Kurvform Pröva med att hålla olika metallföremål nära Pot Core -kärnans öppning. Vad händer? Mät kollektorspänningen. ( U C spänningen mellan kollektor och jord, batteriets minusanslutning ). Scopemetern ska vara DC-kopplad. Justera triggnivån så att Du får stillastående skärmbild. Mät spänningens toppvärde, bottenvärde och medelvärde (DCV) med och utan ett metallföremål (50-öring?) på Pot Core -kärnans öppning. Utan metallföremål Med metallföremål U MAX [V] U MIN [V] U DC [V] U MAX [V] U MIN [V] U DC [V] Går det att formulera en beslutsregel som utifrån värdet på U DC talar om om det är metall eller inte framför resonanskretsen? Mät spänningen över kollektormotståndet. Anslut scopemetern över R C. Det som syns här är strömpulserna (en puls per period) som "kickar" igång svängningskretsen. AC-koppla Scopemetern och mät frekvensen. f [MHz] Du får nu ett annat värde än tidigare? Vad kan det bero på? Vilket värde ska man tro på? 4
Oscillatorkretsen med komparator Kan man använda kollektorspänningen för att indikera närvaron av metallföremål? Vi ansluter OP-förstärkaren LMC6041 som komparator för att jämföra kollektorspänningen med en inställbar referensnivå (från potentiometern). Kollektorspänningen varierar mycket snabbt, för snabbt för att vår OP-förstärkare ska ha någon chans att kunna hänga med, så den kommer att reagera på spänningens medelvärde. Figuren visar vilken förstärkning OP-förstärkaren har vid olika frekvenser - vid 1 MHz är det ingen förstärkning alls. Komparatorn (OP-förstärkaren) är uppkopplad på kopplingsdäcket tillsammans med transistoroscillatorn. Du behöver komplettera med en tråd mellen oscillatorn och komparatorn enligt figuren (den "slingrande" tråden). Justera potentiometern tills lysdioden precis har slocknat (inga metallföremål i närheten vid justeringen). Hur känslig är Din närvarodetektor, kan den upptäcka en skruvmejselspets? William Sandqvist 5