Схема чувствительного датчика сотрясения (КР1040УД1А)

Среди многочисленных датчиков состояния встречаются всевозможные приборы, подчас поражающие радиолюбителей своими конструктивными особенностями. Однако при разработке устройств учитываются, как правило, более прозаические параметры:

• компактность;
• высокая чувствительность;
• надежность (высокий коэффициент наработки на отказ);
• минимальное наличие механических частей;
• универсальность в применении;
• работа в широкой области температур и напряжений питания;
• отсутствие помех другим узлам устройства;
• минимальное потребление тока и т. п.

Принципиальная схема

Электрическая схема из серии датчиков воздействия — устройство датчика сотрясения — представлена на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема датчика сотрясения на микросхеме.

Ее особенность в необычном включении микросхемы-ком-паратора DA1 во взаимодействии с индуктивным датчиком L1. Катушка L1 намотана на круглом пластмассовом каркасе диаметром 8 мм (от резонансных катушек радиоприемника ВЭФ-202 и аналогичных) проводом ПЭЛ-1 диаметром 0,6 мм внавал и содержит 150 витков.

Ферритовый сердечник из каркаса не вынимается и перед первым включением схемы располагается по середине свободного хода внутри каркаса.

Напротив катушки L1 на расстоянии 1—2 мм располагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размерами 4 х 9 мм на специальных подвесках из эластичной резины так, чтобы феррит при сотрясении вибрировал на свободном расстоянии до каркаса катушки L1.

Переменный резистор R1, включенный как регулятор-ограничитель тока, позволяет регулировать чувствительность датчика. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла максимальная.

При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле не изменяется, и ток, протекающий через катушку L1, носит постоянный характер и составляет доли мкА. Оксидный конденсатор С1 не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход компаратора (вывод 2 DA1).

Баланс напряжений между инвертированным и неинвертиро-ванным входами компаратора (выводы 1 и 2 DA1) не нарушается, поэтому на выходе компаратора (вывод 7 DA1) присутствует низкий уровень напряжения. Индикатор состояния узла — светодиод HL1 — не светится, а уровня напряжения на базе транзистора VT1 недостаточно для его открывания. Между общим проводом и выходом (ивых) присутствует разность потенциалов (напряжение), близкая к напряжению источника питания.

Здесь уместно заметить, что выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнительными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать также, используя +Un и ивых Тогда в дежурном режиме датчика напряжение на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздействии принимать значения, близкие по напряжению к напряжению источника питания (12 В).

Метод подключения выходных контактов выбирается самостоятельно в каждом конкретном случае. Если в дополнительных исполнительных узлах необходимости нет, резистор R10 в цепи коллектора транзистора VT1 заменяют на электромагнитное реле напряжением 8—12 В и током срабатывания не более 100 мА. При токе срабатывания реле более 100 мА, учитывая (возможный) длительный характер работы реле во включенном состоянии, потребуется заменить транзистор VT1, играющий роль усилителя тока, более мощным, например любым из серии КТ815.

При незначительном сотрясении датчика (ферритового сердечника) вблизи катушки L1 в ней кратковременно возникает ЭДС в несколько десятков мкВ, вызывающая импульс напряжения, который беспрепятственно (минуя оксидный конденсатор С1 и ограничительный резистор R2) попадает на вход компаратора DA1.

Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из элементов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже такого минимального сигнала, вносящего дисбаланс напряжения на входах микросхемы, оказывается достаточно для срабатывания внутренней схемы сравнения напряжений и появления на выходе компаратора высокого уровня.

Напряжение высокого уровня на выводе 7 DA1 включает светодиод HL1, сигнализирующий о воздействии на датчик, проходит через ограничительный резистор R8, детектируется диодом VD3 и через ограничительный резистор R9 поступает на базу транзистора VT1. В момент появления напряжения на выводе 7 микросхемы DA1 заряжается оксидный конденсатор С4.

Он включен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку выключения узла (на 2—3 с), иначе включение нагрузки будет напоминать дребезг контактов и носить хаотичный характер. Благодаря наличию оксидного конденсатора С4 транзистор VT1, открывшись от импульса напряжения, закроется только через 2—3 с после окончания управляющего импульса.

Если емкость данного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным; например, такая задержка будет уместна, если реле, включенное вместо резистора R10, в свою очередь будет включать охранную сирену.

Поступившее на базу транзистора VT1 напряжение высокого уровня открывает последний и изменяет состояние выхода узла: между положительным выводом источника питания и контактом ивых теперь присутствует напряжение источника питания, а напряжение между общим проводом и точкой ивых соответственно равно нулю.

Выпрямительный диод VD2 и ограничительный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и случайной подачи Unirr обратной полярности. Оксидный конденсатор СЗ сглаживает пульсации напряжения. При заведомо исправном и стабилизированном источнике питания, а также при питании данного электронного узла от батарей (аккумуляторов) элементы СЗ, R7, VD2 можно из схемы исключить, так как устройство работоспособно в диапазоне напряжения питания +7—+16 В. Ток потребления в режиме покоя не превышает 5 мА. Однако при использовании устройства в автомобиле и в сочетании с нестабилизированными источниками питания данные элементы выполняют защитную роль и позволяют применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях. Устройство не нуждается в налаживании.

Детали и конструкция

Элементы устройства компактно монтируются в пластмассовом корпусе и жестко прикрепляются к контролируемой поверхности. Удобно воспользоваться быстросохнущим клеем.

Кажущаяся сложность в изготовлении датчика и катушки L1 не более чем миф. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении феррита от каркаса L1 на расстояние до 5 мм датчик уверенно срабатывает от малейших смещений феррита. Это достигается высокой чувствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Кроме указанной на схеме микросхемы можно применить ее полные аналоги LM358, С358С, НА17358.

Отечественные микросхемы — аналоги компаратора: К1401УД5А—К1401УД5Б, К544УД8А—К544УД8Б, КР1040УД1А, КФ1053УД2(А). В случае применения микросхемы К544УД8А— К544УД8Б чувствительность узла несколько снизится и придется изменить подключение выводов микросхемы. Кроме того, в качестве феррита (прямоугольной формы) можно использовать кусочек постоянного магнита.

Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 и аналогичный. Выпрямительный диод VD2 заменяют на КД213, КД105, Д202 с любым буквенным индексом и аналогичные по электрическим характеристикам. Остальные диоды — типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом.

Переменный резистор R1 — типа СПО-1, СПЗ-ЗОВ, СПЗ-12В или подстроенный, типа' СП5-28В, СПЗ-1ВБ (оба многооборотные). Главное при выборе типа этих резисторов то, чтобы они имели линейную характеристику изменения сопротивления.

При необходимости достижения узлом максимальной и нерегулируемой чувствительности данный резистор из схемы просто исключают, а средний вывод, показанный на схеме, соединяют с верхним (по схеме) выводом катушки L1. Ограничительный резистор R7—типа МЛТ-0,5. Все остальные постоянные резисторы— типаМЛТ-0,25.

Оксидные конденсаторы фирмы «Hitano», ESP, их аналоги или отечественные типа К50-29, К50-35. Индикаторный светодиод — типа L63SRC, КИПД14А, КИПД-36, L1503SRC-C, КИПД41Б1-М или другие аналогичные с током до 10 мА.

В случае замены резистора R10 на слаботочное электромагнитное реле, рекомендации к выбору последнего такие: FRS10C-03, TRU-12VDC-SB-SL, ТТІ TRD-9VDC-FB-CL, Relpol RM85-2011-35-1012, РЭС-22 (исполнение РФ.4.523.023-01) или аналогичное. При выборе реле следует учитывать ток и іапря-жение коммутации. Все указанные здесь типы реле коммутируют ток до 3 А при напряжении до 250 В.

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.