28 maggio 2023InTUTTO IL RESTO dicrowave
Oggi è stato acquisito un piccolo rilevatore portatile di metallo e linee sotto tensione di rete nascosto all'interno della superficie delle pareti, prodotto dall'azienda tedesca Brennenstuhl dall'inizio degli anni '90.
Il LED rosso si accende quando viene rilevato un metallo, il LED giallo si accende quando viene rilevata una linea attiva. L'interruttore di alimentazione è combinato con un potenziometro che regola la sensibilità del rilevamento del metallo.
L'azienda Brennenstuhl è stata fondata nel 1958 ed è ancora operativa oggi. Produce principalmente prolunghe, prese e spine varie, distributori e scatole di derivazione con prese, apparecchi di illuminazione portatili e da terra e simili apparecchiature elettriche principalmente per uso temporaneo, aggiuntivo o esterno in abitazioni, cantieri e simili. Dai piccoli dispositivi elettronici propone rilevatori di fumo e gas pericolosi a soffitto, relè temporizzati programmabili (timer) per prese domestiche, prese telecomandate, misuratori di umidità, tester di fase. Brennenstuhl ha rilasciato diversi tipi di metal detector da costruzione nel corso degli anni, ma sembra che non siano più disponibili.
Oggi il mercato viene rifatto con vari rilevatori di costruzione più economici e più costosi per metallo, fili di rame, linee sotto tensione, cavità, legno e anomalie simili sotto la superficie delle pareti. Dobbiamo dire subito che il funzionamento di tutti questi dispositivi in pratica è molto inaffidabile e dipende fortemente dalle condizioni di rilevamento. Di norma si ottengono risultati migliori con le lastre in cartongesso rispetto alle classiche pareti intonacate, e il motivo è che le lastre in cartongesso hanno una composizione molto più omogenea delle pareti in laterizio e dell'intonaco.
Vale a dire, da un lato, il dispositivo di rilevamento dovrebbe essere il più sensibile possibile per poter rilevare piccole anomalie magnetiche il più profonde possibile all'interno delle pareti (almeno 3-5 cm). Ma d'altra parte, se il rilevatore è molto sensibile, allora reagirà anche alla disomogeneità della struttura muraria stessa, soprattutto se contiene anche una certa percentuale di umidità irregolare. Se il rilevatore non è abbastanza sensibile, non reagirà alle piccole superfici metalliche nel muro, come i cavi elettrici. È difficile trovare un buon bilanciamento del rilevamento, ma indipendentemente da come si imposta la sensibilità, sarà sempre difficile compensare completamente il rilevamento errato che può essere causato dalla struttura del muro stesso e, d'altra parte, il l'assenza di rilevamento non è certo un indicatore sicuro che non ci sia nulla sotto il muro in quel luogo. Questi dispositivi possono servire a uno scopo in alcuni casi, ma se, per esempio, si sta cercando una linea elettrica, allora dovrebbero ottenere un accurato rilevamento positivo di quella linea almeno un metro o due lungo il muro, in modo da poter essere certo che il filo passi proprio lì.
Tali metal detector di solito hanno una o due bobine di rivelatore su un'asta di ferrite, a seconda del tipo di oscillatore utilizzato come rivelatore. Questa bobina fa parte del circuito oscillante dell'oscillatore del rivelatore. Un oggetto metallico estraneo in prossimità di quella bobina avrà un duplice effetto sul funzionamento dell'oscillatore: cambierà l'induttanza totale della bobina e quindi la frequenza delle oscillazioni, e influenzerà anche il fattore di bontà della bobina e l'ampiezza (potenza) delle oscillazioni in uscita diminuirà. Il circuito del rilevatore reagisce a queste due quantità, un cambiamento di frequenza o un cambiamento nell'ampiezza delle oscillazioni, con luce, suono, misurazione o qualche altra indicazione.
Quando si rileva un cambiamento di frequenza o fase, è necessario utilizzare due oscillatori, un rilevatore e un riferimento. L'oscillatore di riferimento funziona a una frequenza fissa stabile, solitamente la stessa frequenza dell'oscillatore del rivelatore quando non è disturbato da oggetti metallici. Il circuito rivelatore confronta le frequenze o le fasi dei due oscillatori. Mentre entrambi gli oscillatori funzionano alla stessa frequenza (o fase), il rivelatore non produrrà alcun segnale. Non appena un oggetto metallico vicino alla bobina del rivelatore cambia la frequenza (e la fase) dell'oscillatore del rivelatore, ci sarà una differenza di frequenza tra il rivelatore e l'oscillatore di riferimento, che il rivelatore registrerà in qualche modo. I cambiamenti di frequenza possono essere molto piccoli, quindi gli oscillatori devono essere stabili in frequenza e i circuiti del rivelatore sensibili a questi piccoli cambiamenti.
Di solito, nel circuito del rilevatore vengono utilizzati convertitori da frequenza a tensione, quindi la differenza di tensione viene confrontata utilizzando un comparatore o vengono utilizzati mixer di frequenza (transistor o diodo), seguiti da un filtro passa-basso e un amplificatore. In passato, per i metal detector veniva utilizzato un BFO (oscillatore di frequenza di battimento), in cui la differenza di frequenza cadeva nella gamma audio udibile, che veniva utilizzata direttamente per l'indicazione del suono. Abbiamo incontrato oscillatori BFO in molti dispositivi radio e di test della prima metà del secolo scorso (vedi ad esempioFrequenzimetro BC-221-ACOAnalizzatore eterodina tipo 2010). Nell'autocostruzione, sono stati realizzati metal detector molto semplici che contenevano solo un oscillatore del rivelatore, il cui segnale (frequenza) è stato catturato su un ricevitore AM commerciale. L'oscillatore del rivelatore e il ricevitore AM devono ovviamente essere vicini l'uno all'altro perché l'oscillatore non ha una grande potenza di uscita. Qualsiasi spostamento dalla frequenza una volta sintonizzata dell'oscillatore del rivelatore causerebbe rumore, fischi o qualche cambiamento sonoro simile nell'altoparlante del ricevitore AM.
Quando si rileva un cambiamento di ampiezza, è sufficiente un oscillatore del rivelatore. È chiaro che per il rilevamento della frequenza è necessario garantire un funzionamento stabile in frequenza di entrambi gli oscillatori e per il rilevamento dell'ampiezza è necessario garantire un funzionamento stabile in ampiezza dell'oscillatore del rivelatore. Quasi tutti i tipi di oscillatori realizzati utilizzando transistor, circuiti integrati logici, temporizzatori e simili possono essere utilizzati per i metal detector. Inoltre, a seconda del tipo di rivelatore e dell'indicazione desiderata, i circuiti rivelatori possono essere costruiti in molti modi differenti. Ma, in generale, tutti questi piccoli metal detector portatili alla fine hanno all'incirca le stesse caratteristiche perché il principio di base del rilevamento è lo stesso in tutti loro. Questo nostro rilevatore Brennenstuhl MS 750 può sembrare datato, poco attraente ed economico, ma puoi star certo che funziona come i rilevatori moderni forniti in belle custodie con display di grandi dimensioni, indicazioni audiovisive, opzioni di selezione del tipo di variazione sotto la parete e simili, che alla fine creano più confusione che avere una reale utilità pratica.
Non abbiamo dati per il nostro rilevatore Brennenstuhl MS 750, quindi abbiamo disegnato il suo schema elettrico. Vediamo che consiste di due rivelatori separati.
Il rilevatore senza contatto della presenza della tensione di rete si basa sul circuito integrato MC14069 (Motorola). Questo circuito integrato contiene sei inverter, ma nel nostro caso ne vengono utilizzati solo due. Il primo inverter con elementi RC associati forma un oscillatore di tensione rettangolare con una frequenza di 50 Hz. Questo è un tipo molto semplice di oscillatore di rilassamento. Quando l'alimentazione è collegata, l'ingresso del primo inverter (pin 1) è a zero logico, quindi l'uscita (pin 2) è a 1 logico. La tensione all'uscita del primo inverter attraverso la resistenza R1 carica il condensatore C1. Quando la tensione su C1 raggiunge la soglia di trigger 1 logico, gli stati logici all'ingresso e all'uscita dell'inverter cambiano. Ora il condensatore C1 inizia a scaricarsi attraverso il resistore R1. Quando il condensatore si scarica al di sotto della soglia di trigger 0 logico, gli stati logici all'ingresso e all'uscita dell'inverter cambiano nuovamente. La costante di tempo degli elementi RC è scelta in modo che gli stati cambino a una frequenza di 50 Hz.
All'uscita del primo inverter è stata aggiunta una resistenza variabile collegata a terra. Ciò consente di ridurre l'ampiezza del segnale di uscita fino al limite quando scende al di sotto della soglia di trigger e il circuito smette di oscillare. Il nostro rilevatore è regolato esattamente su quel punto. Le oscillazioni sono smorzate così tanto che la tensione di uscita è troppo bassa per accendere il LED, o se è richiesta una sensibilità ancora inferiore, la tensione di uscita può essere ridotta così tanto che le oscillazioni si fermano del tutto. Il circuito integrato MC14069 è realizzato utilizzando la tecnologia CMOS, il che significa che gli ingressi dell'inverter hanno un'impedenza molto elevata, ovvero una sensibilità molto elevata. Pertanto, quando l'oscillatore è impostato sul limite di oscillazione, è sufficiente un aumento molto piccolo della corrente di ingresso di 50 Hz per ricominciare a oscillare. Questa corrente è ottenuta per induzione all'interno del campo elettromagnetico vicino a un conduttore di rete sotto tensione. Nel nostro caso, la superficie di induzione è derivata da un rivestimento conduttivo (grafite) applicato alla superficie anteriore (sensore) dell'alloggiamento, ma potrebbe anche essere un pezzo di filo leggermente più lungo (circa 10 cm) avvolto come una piccola bobina .
Rivestimento in grafite come superficie conduttiva su cui si generano correnti dovute all'azione del campo elettromagnetico irradiato dalle linee sotto tensione di rete.
Altrimenti, è normale che non vengano utilizzati oscillatori per tali rilevatori di tensione di linea senza contatto, ma solo alcuni semplici amplificatori sufficientemente sensibili (tre o più stadi di amplificatori in cascata a transistor o amplificatori integrati). Tuttavia, un oscillatore a 50 Hz, come nel nostro caso, riduce notevolmente la possibilità di falsi rilevamenti da vari altri tipi di radiazioni elettromagnetiche provenienti da dispositivi elettrici. Il nostro rilevatore sarà così più sensibile proprio alla tensione di rete con una frequenza di 50 Hz. Il LED di indicazione giallo riceve una tensione rettangolare di 50 Hz tramite un altro inverter buffer (stadio di disaccoppiamento) e un transistor di pilotaggio, ma a causa della lentezza dell'occhio, lo sfarfallio del LED non viene notato.
Un'istantanea del segnale da un oscillatore eccitato (sinistra) e un oscillatore smorzato (destra).
Il metal detector è basato su un oscillatore Colpitts a transistor. Il fenomeno della riduzione dell'ampiezza di uscita della tensione sinusoidale dall'oscillatore viene utilizzato quando un oggetto metallico si avvicina alla bobina, che disturba il fattore Q del circuito oscillante. Affinché funzioni, l'ampiezza iniziale dell'oscillatore in assenza di influenze esterne deve essere in qualche modo stabile, e nel nostro caso ciò si ottiene stabilizzando la tensione di alimentazione dell'oscillatore a 5 V.
La bobina del rivelatore dell'oscillatore Colpitts è costituita da 60 spire di filo Cu-Lak di 0,25 mm di diametro avvolto su un'asta di ferrite di 58 mm di lunghezza e 10 mm di diametro che fornisce un'induttanza totale di 250 µH.
Il circuito di oscillazione dell'oscillatore è costituito dalla bobina L1 e dai condensatori C2 e C3. La bobina L1 è una bobina di rilevamento ed è composta da 60 spire di filo Cu-Lak con un diametro di 0,25 mm avvolto su un'asta di ferrite lunga 58 mm e con un diametro di 10 mm. Ciò fornisce un'induttanza totale della bobina di 250 µH. Le oscillazioni in uscita hanno una frequenza di circa 200 kHz. Tuttavia, vediamo immediatamente che C2 e C3 hanno valori di capacità significativamente diversi, che sposteranno la simmetria delle oscillazioni positive e negative per lo più su valori negativi. La componente continua dell'alimentatore viene quindi rimossa dal segnale sinusoidale a 200 kHz tramite il filtro passa-alto C4-R2. Poiché le oscillazioni sono per lo più nella regione negativa, i due stadi successivi con interruttori a transistor saranno chiusi e il LED non si accenderà.
Se un oggetto metallico viene ora avvicinato alla bobina dell'oscillatore, le oscillazioni diminuiranno. Nel momento in cui diminuiscono così tanto che il segnale sinusoidale diventa simmetrico, i transistor inizieranno ad aprirsi. Riducendo ulteriormente l'ampiezza, la simmetria dell'oscillazione inizia a spostarsi principalmente verso la regione positiva, che apre i transistor e il LED si accende.
Tensione sinusoidale daFrequenza dell'oscillatore di Colpitt intorno ai 200 kHz. Si può vedere un pronunciato spostamento di simmetria verso la regione negativa (a sinistra). L'ampiezza di questa tensione può essere regolata nell'intervallo 1,6-3,7 Vpp con il potenziometro di sensibilità sull'alloggiamento del rivelatore. Sulla destra c'è un'istantanea dell'ampiezza di oscillazione ridotta sotto l'azione di un oggetto metallico vicino alla bobina. Abbiamo catturato l'area di confine in cui il segnale sinusoidale è simmetrico e qui il LED di indicazione inizia già a illuminarsi leggermente. Diminuendo ulteriormente l'ampiezza, la simmetria dell'onda sinusoidale si sposta nella regione della gravità positiva. Puoi anche vedere uno spostamento della frequenza dell'oscillatore da 198 kHz a 200 kHz, considerando che l'oggetto metallico cambia anche l'induttanza della bobina all'interno del circuito oscillante.
Su Internet puoi trovare dozzine di schemi diversi per il rilevamento wireless di linee attive e il rilevamento di metalli nei muri. Tuttavia, probabilmente non troverai uno schema simile a questo da nessuna parte, cioè dove il principio di rilevamento verrebbe utilizzato come nel dispositivo Brennenstuhl MS 750. Ecco perché valeva la pena disegnare lo schema elettrico e utilizzare un oscilloscopio per capire come funziona tutto funziona insieme. Ancora una volta, dobbiamo ammettere che si tratta di un design del rivelatore molto ben congegnato e del tutto insolito che funziona perfettamente nella pratica e che non avremmo mai avuto l'opportunità di incontrarci se non avessimo smontato questo vecchio dispositivo. Per il prossimo post prenderemo in considerazione un dispositivo moderno di questo tipo. Speriamo solo di trovare qualcosa di più in esso di un microcontrollore, un display e una bobina 🙂