Альтернативные датчики для металлоискателя Кощей-20М

 

Часть 5. Датчики с параллельным резонансом

 

 

Все датчики различных металлодетекторов по типу возбуждения передающей катушки можно условно разделить на три типа: нерезонансные, резонансные с последовательным резонансом и резонансные с параллельным резонансом. С первыми двумя типами Кощей-20М прекрасно сопрягается, они были рассмотрены в предыдущих статьях. А как же обстоит дело с датчиками, использующими параллельный резонанс? Исторически получается, что такие датчики использовались в металлодетекторах со сравнительно “высоковольтным” питанием – от 9В и выше. Однако современные приборы, к которым мы относим и свой Кощей-20М :-), имеют тенденцию к минимизации напряжения питания. Не вдаваясь в особенности схемотехники различных типов выходных каскадов металлодетекторов можно сделать обобщающее заключение – без особых ухищрений при низковольтном питании ток датчика будет снижаться пропорционально напряжению питания выходного каскада детектора. Это скажется негативно на глубине обнаружения. Некоторые брендовые производители решают задачу «в лоб» - встраивают в свои приборы импульсные повышающие преобразователи напряжения питания. Однако существует более простой и изящный способ повышения тока датчика.

Рассмотрим подключение к Кощею-20М датчика с параллельным резонансом на примере штатного 9.5” датчика от Spectrum XLT.

 

 

Что нам известно об этом датчике? Прежде всего, это фото внутренностей такого датчика, гуляющее по просторам Интернета. Действительно видно, что и приемная цепь, и передающая включены по схеме параллельных контуров.

 

 

 

Прозвонка тестером разъема датчика выявляет приемную катушку сопротивлением 110Ом и передающую катушку сопротивлением 3Ом. Исследование датчика с помощью генератора и осциллографа показывает, что это достаточно хитрый датчик. Приемная цепь у него настроена на частоту около 4.7кГц, а передающая на частоту около 6.7кГц (рабочая частота прибора). Не будем анализировать глубину замысла инженеров Whites по этому поводу :-). Если кому интересно, то в своей статье http://phazitron.narod.ru/article/sloop.htm Иван Костин изложил свой достаточно спорный взгляд на этот вопрос. Нас же в данный момент интересует проза подключения такого датчика к Кощею-20М. Для этих целей пришла мысль использовать более сложный колебательный контур. Ведь кроме “азбучных” последовательного и параллельного контуров в радиотехнике широко используются и различные составные контура. Например, всем радиолюбителям-коротковолновикам хорошо известно такое устройство, как П-контур, служащий для согласования сопротивлений выходного каскада передатчика и нагрузки. Попробуем и мы согласовать выходной каскад Кощея-20М c датчиком Whites. Ведь нам здесь,  по сути, тоже необходимо оптимальное резонансное согласование сопротивлений нагрузки и выходного каскада детектора. Упрощенная эквивалентная схема такого контура изображена на рисунке ниже.

 

 

Элементы R, L, C1 относятся к датчику, а вся соль заключается в дополнительном последовательно включенном конденсаторе C2. Именно с его помощью и образуется более сложный контур. Не претендуем на 100% -е соответствие прототипу номиналов элементов датчика, но приблизительно они такие и этого достаточно для анализа. При анализе этой схемы в первую очередь нас интересует ток, протекающий через катушку индуктивности (именно он создает поле датчика) и ток, который втекает в датчик из прибора (ток выходного каскада). Несмотря на небольшое количество элементов, вывод аналитических выражений для этих токов получается достаточно громоздким. Поэтому мы опустим его и обратим внимание лишь на ключевые моменты анализа итоговых формул. Новый контур теперь имеет признаки и последовательного резонанса, и параллельного. Частота параллельного резонанса (частота, на которой импеданс нагрузки максимален), как и раньше для этого датчика, определяется как F1=1/(2*PI*SQRT(C1*L)). Частота последовательного резонанса (частота, на которой ток катушки максимален) как F2=1/(2*PI*SQRT((C1+C2)*L), а величина тока через катушку индуктивности на этом резонансе I=E/(R*(1+C1/C2)) . Зависимость между током выходного каскада и током катушки индуктивности достаточно сложная, приводить ее тоже не будем. Однако из той формулы видно, что коэффициент трансформации тока можно изменять в широких пределах, варьируя величины номиналов элементов схемы. В условиях нашей конкретной задачи мы можем изменять лишь величину C2. Также внесем в условия задачи сохранение рабочей частоты в пределах 5-7кГц.

Для начала с помощью моделирования проверим, что будет, если конденсатор C2 закорочен. Т.е. это случай, когда мы подключаем датчик напрямую к плате Кощея-20М. Результаты представим в виде диаграмм, полученных путем моделирования. Красным цветом показаны графики для тока катушки, зеленым – для тока выходного каскада.

 

 

 

 

 

Из полученных результатов видно, что на частоте резонанса мы можем закачать в датчик ток около 120мА. При этом выходной ток будет достаточно малым – около 20мА. При желании мы можем сместить рабочую частоту вниз оговоренного частотного диапазона. В этом случае ток датчика незначительно возрастет, но все равно останется раза в 2-3 меньше, чем в “родном” приборе.

Далее рассмотрим случай, когда емкость конденсатора C2 составляет 0.125мкФ. Именно такую емкость имеет встроенный конденсатор, который сейчас используется в серийных блоках Кощея-20М.

 

 

 

 

 

 

Из этих диаграмм видно, что график тока катушки теперь имеет максимум на частоте около 6.3кГц. Однако величина тока датчика соизмерима  с предыдущим вариантом. Т.е. никакого выигрыша мы не получили.

А теперь рассмотрим случай более оптимизированного согласования. Рассчитаем графики для C2=0.47мкФ.

 

 

 

Из этих графиков видно, что ток катушки теперь составляет более 300мА, т.е. он соизмерим с током прототипа! Резонансная частота сместилась к 5.5кГц, что вполне терпимо. А ток выходного каскада составляет около 100мА, что близко к максимальному значению, которое может выдать выходной каскад Кощея-20М без искажений. Т.е. этот вариант включения можно признать вполне оптимальным.

Приступим теперь к экспериментальной проверке наших расчетов. Будем проверять варианты с конденсаторами 0.125мкФ и 0.47мкФ. Первый хоть и не дает выигрыша по сравнению с вариантом без конденсатора, однако он позволяет подключить датчик Whites без вмешательства внутрь серийного блока Кощея-20М. Второй вариант потребует замены конденсатора внутри блока на 0.47мкФ, однако мы ожидаем, что это должно окупиться приростом глубины примерно в 20% (корень шестой степени из отношения максимумов токов).

 Первая трудность, с которой придется столкнуться на практике, - это достаточно экзотический разъем у датчиков Whites. Чтобы подключить датчик, придется либо мастерить самодельный ответный разъем для переходника, либо сразу перепаять разъем датчика на более доступный miniXLR. Схема подключения показана ниже.

 

 

Второе затруднение методологическое. Оно заключается в следующем. Нам для инструментального контроля доступен только ток выходного каскада. А ток катушки индуктивности мы измерить не можем, т.к. этот контур целиком находится внутри датчика. А если внимательно посмотреть на графики, то видно, что максимум тока датчика находится по частоте несколько выше максимума тока выходного каскада. Поэтому будем настраивать датчик по максимуму тока выходного каскада по показаниям сервисного режима Кощея-20М. Хотя это и приведет к незначительному проигрышу по глубине, зато повысит фазовую термостабильность датчика (см. нашу статью). Кстати, о термостабильности. Не лишним будет напомнить, что конденсатор C2 в любом случае должен быть термостабильным.

Итак, приступаем к испытаниям. Подключаем датчик к блоку без замены конденсатора. Находим рабочую частоту по максимуму тока выходного каскада. Выполняем фазовую калибровку с помощью феррита. Получаем следующие настроечные параметры: ток выходного каскада 22мА, рабочая частота 6.17кГц, амплитуда выходного сигнала 99, фаза выходного сигнала 167.2градуса, амплитуда сигнала электронной компенсации 0, фаза сигнала электронной компенсации 54.8градуса. Проверяем дальность обнаружения по воздуху на 5 копеек СССР. Она составляет около 30см.

Теперь заменяем конденсатор в блоке на 0.47мкФ, повторяем настройку. Получаем следующие  параметры: ток выходного каскада 101мА, рабочая частота 5.55кГц, амплитуда выходного сигнала 99, фаза выходного сигнала 153.1градуса, амплитуда сигнала электронной компенсации 2, фаза сигнала электронной компенсации 64.1градуса. Дальность обнаружения монеты  уверенно достигает 37см.

Это вполне достойные результаты! Первый вариант не требует никакой переделки блока и отличается хорошей экономичностью. Однако, как и ожидалось, он проигрывает по глубине. Второй вариант дает примерно такую же глубину, как и штатные кощеевские датчики и близок к ним по энергетике. Однако требует замены конденсатора в блоке, что не всегда удобно.

Также следует отметить очень хорошую сбалансированность этого достаточно “древнего” экземпляра датчика, которую он сохранил. Это видно по минимальной амплитуде электронной компенсации, которая потребовалась при настройке. Вайтсу +1 :-)

 

 

Продолжение следует…