МИНОИСКАТЕЛЬ
Б.С.Иванов. Самоделки юнармейца. 1985
Если предыдущее оружие предназначено для любого юнармейца, миноискателем пользуется только сапер. Минами в игре служат металлические диски или консервные банки, зарытые неглубоко в землю. Их и должен обнаружить наш прибор. Существует немало конструкций миноискателей или, как их чаще называют в литературе, металлоискателей, но мы познакомимся лишь с тремя, различающимися схемными решениями и возможностями.
Первая конструкция - миноискатель на двух транзисторах (рис. 69). Разработал его московский радиолюбитель В. Васильев. Принцип работы миноискателя, как и большинства подобных конструкций, состоит в том, что при приближении металлического предмета к катушке индуктивности генератора частота генератора изменяется. Чем ближе предмет и чем он больше, тем сильнее его влияние на частоту генератора.
Рис. 69. Принципиальная схема миноискателя на двух транзисторах
Генератор миноискателя выполнен па транзисторе V1 по схеме ёмкостной трёхточки. Генерация образуется из-за положительной обратной связи между эмиттерной и базовой цепями транзистора. Частота генератора зависит от емкости конденсаторов С1-СЗ и индуктивности катушки L1. При приближении катушки к металлическому предмету индуктивность ее изменяется - увеличивается, если металл ферромагнитный, например железо, и уменьшается, если металл цветной - медь, латунь.
Но как проследить за изменением частоты? Для этого служит приемник, собранный па втором транзисторе. Это тоже генератор, собранный, как и первый, по схеме емкостной трёхточки. Частота его зависит от емкости конденсаторов С4-С6 и индуктивности катушки L2 и ненамного отличается от частоты первого генератора. Нужную разность частот подбирают подстроечником .катушки. Кроме того, каскад на транзисторе V2 совмещает в себе и функцию детектора, выделяющего колебания низкой частоты из поступающих на базу транзистора высокочастотных колебаний. Нагрузкой детектора являются головные телефоны В1; конденсатор С8 шунтирует нагрузку для колебаний высокой частоты.
Колебательный контур приёмника индуктивно связан с контуром генератора, поэтому в коллекторной цепи транзистора V2 протекают токи частотой обоих генераторов, а также ток разностной частоты, иначе говоря, частоты биений. Если, к примеру, частота основного генератора 460 кГц, а частота генератора приемника 459 кГц, то разностная составит 1 кГц, т. е. 1000 Гц. Этот сигнал и слышен в телефонах. Но стоит приблизить поисковую катушку L1 к металлу, как частота звука в телефонах изменится - в зависимости от вида металла она или понизится или станет выше. Это и послужит сигналом обнаружения "мины".
Вместо указанных на схеме подойдут П401, П402 и другие высокочастотные транзисторы. Головные телефоны - высокоомные, ТОН-1 или ТОН-2, но их капсюли нужно включать параллельно, чтобы общее сопротивление составило 800...1200 Ом. Громкость звука в этом случае будет несколько больше. Резисторы - МЛТ-0,25, конденсаторы - КЛС-1 или БМ-2.
Катушка L1 представляет собой прямоугольную рамку размерами 175x230 мм, состоящую из 32 витков провода ПЭВ-2 0,35 (подойдет провод ПЭЛШО 0,37). Конструкция катушки L2 показана на рис. 70. В двух бумажных цилиндрических каркасах 6 размещены отрезки стержня диаметром 7 мм из феррита 400НН или 600НН: один (1) длиной 20...22 мм, закрепленный постоянно, другой (2) - 35...40 мм (подвижный - для подстройки катушки). Каркасы обернуты бумажной лентой 3, поверх которой намотана катушка L2 (5) - 55 витков провода ПЭЛШО (можно ПЭВ-1 или ПЭВ-2) диаметром 0,2 мм. Выводы катушки закреплены резиновыми колечками 4.
Рис. 70. Конструкция катушки L2
Источник питания - батарея 3336Л, выключатель S1 - тумблер, разъем X1 - двухгнездная колодка.
Транзисторы, конденсаторы и резисторы генераторов смонтированы на плате (рис. 71) из изоляционного материала. Плату соединяют с катушками, батареей питания, выключателем и разъемом многожильным проводом в изоляции. Плату и остальные детали миноискателя размещают в фанерном клееном футляре размерами 40х200x350 мм. Катушку L1 прикрепляют к дну футляра, а внутри катушки на расстоянии 5...7 мм от ее витков размещают катушку L2. Рядом с этой катушкой крепят плату. Разъем и выключатель прикрепляют снаружи к боковой стопке футляра. Сверху к футляру крепят (желательно на клею) деревянную ручку примерно метровой длины.
Рис. 71. Монтажная плата и схема соединений миноискателя
Налаживание миноискателя начинают с измерения режимов работы транзисторов. Включив питание, измеряют напряжение на эмиттере первого транзистора (относительно общего провода - плюса питания) - оно должно быть 2,1 В. Точнее это напряжение можно подобрать резистором R2. Затем измеряют напряжение на эмиттере второго транзистора - оно должно быть 1 В (устанавливают точнее подбором резистора R4).
После этого медленным перемещением подстроечного сердечника катушки L2 добиваются появления в головных телефонах громкого чистого звука низкой частоты. Приближая к поисковой катушке консервную банку, фиксируют начало изменения тона звучания. Как правило, это происходит на расстоянии 30...40 см. Более точной подстройкой частоты второго генератора добиваются наибольшей чувствительности прибора.
Следующая конструкция - миноискатель на трех транзисторах (рис. 72). Он способен обнаруживать консервные банки или листы железа площадью не менее 150 см2 на глубине до 30 см.
Рис. 72, Принципиальная схема миноискателя на трех транзисторах
Разберем работу миноискателя по его принципиальной схеме. На транзисторе V1 собран генератор, вырабатывающий колебания частотой 80...100 кГц. Генерация образуется из-за обратной связи между коллекторной катушкой L1 и катушкой L2, подключенной к базе транзистора. Частота колебаний зависит от индуктивности катушки L1 и емкости конденсатора С2.
По такой же схеме собран и второй генератор на транзисторе V2 с примерно равной первому частотой. Катушки связи (L3 и L4) обоих генераторов соединены последовательно и подключены к выходному каскаду, собранному на транзисторе VЗ. В его коллекторную цепь включены (через разъем X1) головные телефоны В1.
Частота первого генератора постоянна (если вблизи поисковой катушки L1 нет металлического предмета), частота второго изменяется подстройкой индуктивности катушки L6. Через головные телефоны будут протекать переменные токи с частотой обоих генераторов и частотой биений. Если частоту второго генератора плавно подстраивать под частоту первого, в головных телефонах послышится вначале звук низкой частоты, которая будет плавно уменьшаться, а затем возникнут "нулевые биения" - звук в телефонах исчезнет.
Стоит теперь поднести катушку первого генератора к металлическому предмету - и в телефонах снова послышится звук. Высота его будет тем больше, чем ближе к предмету находится катушка, а также чем больше по габаритам сам предмет.
В этой конструкции можно использовать транзисторы серий МП39-МП42 с любым буквенным индексом и статическим коэффициентом передачи тока 30...40. Конденсаторы желательно взять слюдяные (КСО-1 или КСО-2), резисторы - МЛТ-0,25. Головные телефоны - ТОН-1 или ТОН-2. Источник питания - батарея 3336Л или три малогабаритных аккумулятора Д-0,25, соединенных последовательно. В первом варианте устройство будет работать 100... 150 ч, во втором - 40...50 ч (а затем аккумуляторы придется заряжать). Разъем XI- двухгнёздная колодка, выключатель питания - любой конструкции.
Катушки L4-L6 второго генератора наматывают проводом ПЭВ-1 0,2 на каркасе из изоляционного материала, который затем помещают в карбонильный сердечник СБ-28а (СБ-4а). На каркас вначале наматывают катушку L6-260 витков с отводом от 60-го витка, считая от верхнего по схеме вывода. Далее наматывают катушку L5-40 витков и в последнюю очередь - L4 (2 витка). Чтобы удобнее было вращать подстроечный сердечник, на него навинчивают ручку настройки (рис. 73).
Рис. 73. Конструкция катушек второго генератора
Для катушек первого генератора вначале изготавливают каркас (рис. 74). Он состоит из фанерного диска 3 диаметром 445 и толщиной 5...6 мм и щёчек 1 и 4, вырезанных из тонкой фанеры. Щёчки приклеивают или прибивают к диску, а к верхней щёчке прикрепляют деревянную ручку 5 такой длины, чтобы устройством было удобно пользоваться при поиске "мин" у самой земли.
Между щечками размещают катушки 2. Вначале наматывают катушку L1-55 витков провода ПЭВ-1 0,6 с отводом от 15-го витка, считая от верхнего по схеме вывода. Поверх нее наматывают катушку L2-10 витков ПЭВ-1 0,25. Катушку L3 наматывают последней - она содержит 2 витка провода ПЭВ-1 0,25. Верхние по схеме выводы катушек (это могут быть, например, их начала - при намотке, конечно, всех катушек в одну сторону) соедините вместе и сделайте общий вывод гибким монтажным проводом в изоляции длиной 100...120 мм. Проводники такой же длины подпаяйте и к другим выводам катушек. Все проводники подпаяйте затем к контактам планки, установленной на верхней щечке вблизи ручки. Здесь же разместите и конденсатор С2. После этого покройте катушки несколькими слоями лака и намотайте поверх них между щечками изоляционную ленту.
Рис. 74. Устройство катушек первого генератора
Остальные детали разместите в корпусе (рис. 75), на верхней стенке которого укрепите выключатель питания и катушку второго генератора, а на боковой - розетку под вилку головных телефонов. Корпус прикрепите к ручке в удобном для работы месте и подключите выводы катушек первого генератора к соответствующим деталям. Здесь лучше воспользоваться самодельным кабелем. Для его изготовления возьмите три разноцветных монтажных провода и пропустите их внутри металлического экрана, например металлической оплетки экранированного провода. Сверху па кабель наденьте поливинилхлоридную или резиновую трубку и прикрепите кабель к рукоятке. Металлическую оплетку соедините с общим проводом катушек, а разноцветные проводники - с оставшимися выводами.
Рис. 75. Корпус для размещения деталей миноискателя
Налаживание миноискателя сводится к определению частоты первого генератора и подстройке второго. Проще всего это сделать с помощью любого радиовещательного приемника с антенным гнездом. Сначала выключите второй генератор, отпаяв, например, вывод эмиттера транзистора V2 от плюса источника питания. При включенных головных телефонах соедините их нижний по схеме вывод (иначе говоря, коллектор транзистора) через конденсатор емкостью 15...20 пФ с антенным гнездом приемника. Включив питание миноискателя, вращайте ручку настройки радиоприёмника. В нескольких точках шкалы длинноволнового диапазона вы услышите характерный шум в громкоговорителе или увидите сужение сектора индикатора настройки (он имеется обычно в ламповых радиоприемниках). Разность частот между двумя соседними точками будет соответствовать частоте генератора.
Аналогично проверяют частоту второго генератора, выключив первый. При среднем положении подстроечного сердечника нужно установить подбором конденсатора С5 частоту второго генератора равной частоте первого. Затем включают оба генератора, вращением подстроечного сердечника добиваются "нулевых биений", а после немного поворачивают сердечник назад, чтобы в головных телефонах был слышен звук низкого тона. Такая настройка соответствует максимальной чувствительности устройства. Поднесите поисковую катушку к металлическому предмету - и высота звука изменится.
Во время поиска миноискатель нужно нести на близком расстоянии от поверхности земли и покачивать его из стороны в сторону. Тогда по наибольшему изменению тона в головных телефонах нетрудно определить точное местоположение "мины".
И еще одна конструкция - миноискатель на семи транзисторах (рис. 76). Он разработан московскими радиолюбителями Л. Булгаком и А. Степановым. Такое обилие, по сравнению с предыдущими конструкциями, транзисторов позволило добиться сравнительно высокой чувствительности, стабильности в работе и четкой различимости чёрных и цветных металлов.
Рис. 76. Принципиальная схема миноискателя на семи транзисторах
В основе работы миноискателя лежит уже известный вам принцип биений частот двух генераторов, один из которых опорный, а другой - перестраиваемый. Приближение выносной катушки колебательного контура к металлу сопровождается изменением ее индуктивности, а значит, и частоты генератора. Предмет из черного металла (ферромагнетик) увеличивает индуктивность катушки и соответственно уменьшает частоту генератора. Цветной же металл, наоборот, увеличивает частоту генератора.
Сигнал опорного генератора смешивается с сигналом перестраиваемого генератора, после чего результирующий сигнал биений поступает на усилитель и далее - на головные телефоны. Даже небольшие изменения частоты перестраиваемого генератора ощущаются в телефонах как изменение частоты звука. Поскольку в миноискателе приняты меры к повышению стабильности частот генераторов, появилась возможность работать на частоте биений 1...10 Гц. А это повышает чувствительность прибора и снижает потребляемый им от источника питания ток. К примеру, гвозди прибор обнаруживает на глубине до 15 см, а более крупные предметы - до полуметра.
Перестраиваемый генератор выполнен на транзисторе V1 по схеме ёмкостной трёхточки, а транзистор включён по схеме с общей базой (иначе говоря, база соединена по высокой частоте с общим проводом). Генерация возникает из-за положительной обратной связи между коллекторной и эмиттерной цепями. Частота генератора зависит от индуктивности катушки L1 (она выносная) и ёмкости конденсаторов С1-СЗ. Частоту генератора можно подстраивать переменным резистором R7, с движка которого постоянное напряжение подается на стабилитрон VЗ, играющий в данном случае роль варикапа.
Варикап - это конденсатор, емкость которого зависит от напряжения, приложенного к его выводам. Таким же свойством изменять свою емкость под действием напряжения обладают стабилитроны, а также некоторые диоды, если подавать на них обратное напряжение (плюс на катоде, минус на аноде). Естественно, это напряжение не должно превышать допустимое, оговоренное в справочных данных. В нашем случае емкость стабилитрона изменяется при изменении на нем постоянного напряжения переменным резистором.
Опорный генератор выполнен на транзисторе V2 тоже по схеме емкостной трёхточки. Его частота зависит от индуктивности катушки L2 и емкости конденсаторов C6, С7, С9.
Режим работы транзисторов генераторов задают резисторы R1-R4. Высокочастотные сигналы генераторов смешиваются на резисторе R5. Амплитуда результирующего сигнала изменяется с частотой биений: она равна разности частот сигналов. Чтобы выделить низкочастотную огибающую сигнала, применен детектор, выполненный по схеме удвоения напряжения на диодах V4, V5. Нагрузкой детектора является резистор R6; конденсатор С11 установлен для фильтрации высокочастотной составляющей.
Низкочастотный сигнал с нагрузки детектора поступает через конденсатор С12 на предварительный усилитель, собранный на транзисторе V6. С нагрузки каскада (резистор R10) сигнал подается далее на усилитель - формирователь прямоугольных импульсов на транзисторе V7. Резисторами R11 и R12 задается такой режим работы транзистора, при котором он находится на пороге открывания. В итоге на нагрузке каскада (резистор R13) вместо синусоидального сигнала выделяются прямоугольные импульсы, которые затем дифференцируются конденсатором С14 и превращаются в остроконечные пики. Длительность их не зависит от частоты следования и длительности прямоугольных импульсов.
Положительные пики сформированного сигнала управляют транзистором V9. На коллекторной нагрузке каскада (резисторы R16 и R17) появляются прямоугольные импульсы фиксированной длительности, которые с движка переменного резистора R16 (это регулятор громкости) подаются на выходной каскад, собранный на транзисторах V10, V11. Этот каскад нагружен на головные телефоны В1, подключенные через гнезда Х2 и Х3.
В миноискателе можно применить микросхему К159НТ1 с любым буквенным индексом. В крайнем случае, подойдут два транзистора КТ315Г с одинаковыми или возможно близкими статическим коэффициентом передачи тока и обратным током коллектора. Вместо транзисторов КТ342Б подойдут КТ315Г, КТ503Е, КТ3102А - КТ3102Е. Транзистор КТ502Е заменим па КТ361, а КТ503Е - па КТ315 с любым буквенным индексом. Но в этом случае головные телефоны должны быть высокоомными (ТОН-1, ТОН-2). Если же телефоны низкоомные, транзистор V11 должен быть более мощный, например КТ603Б, КТ608Б.
Стабилитрон, кроме указанного па схеме, может быть Д803-Д813, КС156А. Диоды V4, V5 - любые из серий Д2, Д9, Д10, a V8 - любой кремниевый. Постоянные резисторы - МЛТ-0,125, переменный R7 - СП-1, R16 - любого типа, но совмещенный с выключателем питания S1. Электролитические конденсаторы - К50-6, остальные - КСО, ПМ, МБМ или аналогичные. Особое внимание следует уделить подбору конденсаторов, работающих в генераторах; они должны обладать высокой температурной стабильностью.
Катушку L2 наматывают на сердечнике из феррита или карбонильного железа, например СБ-12а или СБ-23-lla. Индуктивность ее должна быть 4 мГн. Чтобы обеспечить такую индуктивность, число витков для сердечника СБ-12а должно быть 420, а для сердечника СБ-23-11а - 250, провод ПЭВ-1 0,1.
Часть деталей миноискателя смонтирована на плате (рис. 77), на которой для подпайки выводов детален установлены монтажные шпильки. Основание сердечника катушки L2 приклеивают к плате. После монтажа плату размещают в корпусе (рис. 78), изготовленном из фанеры. Размеры корпуса 115x170x40 мм. На лицевой панели корпуса устанавливают переменные резисторы, входной разъем X1 (СГ-3) и гнезда для подключения головного телефона (можно установить двухгнёздную розетку) .
Рис. 77. Монтажная плата и схема соединений деталей миноискателя
Рис. 78. Корпус миноискателя
Выносная катушка L1 выполнена в виде кольца (рис. 79) диаметром 160 им. Она содержит 100 витков провода ПЭВ-1 0,3. Для намотки катушки удобно воспользоваться любым подходящим каркасом, витки укладываются внавал, а затем катушку снимают и экранируют - обматывают фольгой так, чтобы между концами экрана был зазор шириной около 10 мм. После этого катушку пропитывают эпоксидным клеем или обмазывают эпоксидной шпатлёвкой. К выводам катушки заранее припаивают проводники в поливинилхлоридной изоляции, еще один такой проводник присоединяют к фольге. После застывания клея или шпатлевки поверхность получившейся катушки зачищают наждачной бумагой и прикрепляют к катушке перемычку из фанеры или пластмассы. На перемычку устанавливают стойку, к которой прикрепляют штангу - за нее и держат катушку при поиске "мин". Крепление штанги к стойке должно быть таким, чтобы была возможность изменять угол между штангой и катушкой.
Рис. 79. Конструкция выносной катушки миноискателя
К проводникам-выводам катушки подпаивают кабель длиной около метра, на другом конце которого устанавливают разъем СШ-3 - им и подключают катушку к входному разъему. При этом сам прибор либо носят па плече (к уголкам на корпусе прикрепляют ремень), либо крепят к штанге.
Заключительный этап работы - налаживание миноискателя. Включив прибор, движок переменного резистора R7 устанавливают в среднее положение и вращением подстроечного сердечника катушки L2 добиваются появления в телефонах щелчков частотой 1...5 Гц. При необходимости подбирают конденсатор С6. Подбором резистора R8 добиваются наибольшей громкости сигнала. Следует помнить, что подстроечным сердечником катушки L2 можно установить частоту опорного генератора как выше, так и ниже частоты генератора перестраиваемого. В свою очередь, от этого зависит направление изменения частоты звуковых сигналов в зависимости от вида обнаруженного металла. Поэтому желательно проверить настройку практически, приближая прибор к тому или иному металлическому предмету, чтобы в дальнейшем знать об этом.
Во время поиска "мин" частота звука в телефонах может изменяться из-за разрядки батареи питания, существенного изменения температуры окружающей среды (например, в солнечную и пасмурную погоду), изменения магнитных свойств грунта. Поэтому окончательную настройку прибора производят в момент приближения выносной катушки к земле - для этого и установлен переменный резистор R7.