Универсальный датчик сотрясения

Среди многочисленных датчиков состояния встречаются всевозможные при-боры, поражающие подчас своими конструктивными особенностями. Однако при разработке датчиков учитываются, как правило, более прозаические параметры, такие как компактность, высокая чувствительность, надежность (большое время наработки до отказа), минимальное наличие механических частей, универсальность в применении, работа в широком диапазоне темпе¬ратур и напряжения питания, отсутствие помех для других узлов устройства, минимальное потребление тока и др. Еще одна электрическая схема из серии датчиков воздействия — устройство датчика сотрясения — представлена на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Электрическая схема датчика сотрясения
Ее особенность в необычном включении микросхемы-компаратора DA1 во взаимодействии с индуктивным датчиком LI. Катушка L1 намотана на круг¬лом пластмассовом каркасе диаметром 8 мм (от резонансных катушек радио¬приемника ВЭФ-202 или аналогичных) проводом ПЭЛ-1 диаметром 0,6 мм внавал и содержит 150 витков. Ферритовый сердечник из каркаса не вынима¬ется и перед первым включением схемы располагается по середине свобод¬ного хода внутри каркаса. Напротив катушки L1 на расстоянии 1...2 мм рас¬полагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размерами 4x9 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, по-зволяет регулировать чувствительность датчика. При верхнем (по схеме) по¬ложении движка переменного резистора R1 чувствительность узла максимальная.

При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле и ток, протекающий через катушку L1, носит постоянный характер и составляет доли микроампер. Оксидный конденсатор С1 не пропускает постоянную со¬ставляющую напряжения на вход компаратора (вывод 2 DA1). Баланс напря¬жений между инвертированным и неинвертированным входами компаратора (выводы 1 и 2 DA1) не нарушается, поэтому на выходе компаратора (вывод 7 DA1) присутствует низкий уровень напряжения. Индикатор состояния уз-ла— светодиод HL1 не светится и напряжение в базе транзистора VT1 не¬достаточно для его открывания. Между общим проводом и выходом (UBblx) присутствует напряжение (разность потенциалов), близкое к напряжению источника питания.
3.7.1. Особенности устройства
Выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнитель-ными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать также, используя +U„ и UBbIx. Тогда в спокойном состоянии датчика напряже¬ние на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздейст¬вии принимать значения, близкие по напряжению к напряжению источника питания (12 В). Метод подключения выходных контактов выбирается само¬стоятельно при каждом конкретном случае. Если в дополнительных исполни¬тельных узлах необходимости нет, то резистор R10 в цепи коллектора тран¬зистора VT1 заменяют на электромагнитное реле на напряжение 8—12 В с током срабатывания не более 100 мА. При токе срабатывания реле более 100 мА, учитывая возможно длительный характер работы реле во включен¬ном состоянии, потребуется заменить транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, более мощным, например, любым из серии КТ815. При незначительном сотрясении датчика (ферритового сердечника) вблизи катушки L1 в ней кратковременно создается ЭДС электромагнитной индук¬ции и возникает ток и напряжение в несколько десятков микровольт. Скачок напряжения (импульс) беспрепятственно пропускает оксидный конденсатор С1 и через ограничительный резистор R2 он попадает на вход компарато¬ра DA1.
Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из эле¬ментов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже такого минимального сигнала, вносящего дисбаланс напряжения на входах микро¬схемы, оказывается достаточно для срабатывания внутренней схемы сравне¬ния напряжений и появления на выходе компаратора высокого уровня. На¬пряжение высокого уровня на выводе 7 DA1 включает светодиод HL1, сигна¬лизирующий о воздействии на датчик, проходит через ограничительный резистор R8, детектируется диодом VD3 и через ограничительный резистор
R9 поступает в базу транзистора VT1. В момент появления напряжения на выводе 7 микросхемы DA1 заряжается оксидный конденсатор С4. Он вклю¬чен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку выключения узла (на 2—3 сек), 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 сек после окончания управляющего импульса. Если емкость дан¬ного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным при определенных задачах, стоящих перед радиолюбителем-конструктором; например, такая задержка будет уместна, если реле, включенное вместо резистора R10, в свою очередь будет включать охранную сирену.
Поступившее в базу транзистора VT1 напряжение высокого уровня открыва¬ет его и изменяет состояние выхода узла: между положительным выводом источника питания и контактом UBbIX теперь присутствует напряжение источ¬ника питания, а между общим проводом и точкой UBbIX соответственно напря¬жение равно нулю.
В налаживании узел не нуждается. Выпрямительный диод VD2 и ограничи-тельный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и обратного случайного включения \Jnm. Оксидный конденсатор СЗ сглаживает пульсации напряжения. При заведомо исправном и стабилизиро¬ванном источнике питания, а также при питании данного электронного узла от батарей (аккумуляторов) элементы СЗ, R7, VD2 можно из схемы исклю¬чить, т. к. 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 нестабилизирован-ными источниками питания, данные элементы выполняют защитную роль и позволяют применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях.
3.7.2. Монтаж элементов устройства
Элементы устройства компактно монтируются в пластмассовом корпусе и жестко прикрепляются к контролируемой поверхности. В этом может спо¬собствовать моментальный клей или липучка.
Возможности использования рекомендуемого датчика практически не огра¬ничены. Он может являться прототипом датчика удара в автомобилях, рабо¬тать в составе охранной сигнализации — тогда корпус датчика закрепляют на косяке (дверной коробке) или двери охраняемого помещения и в других ана¬логичных случаях, когда требуется простой, чувствительный и надежный узел контроля сотрясений и ударов.
3.7.3.0 деталях
Кажущаяся сложность в изготовлении датчика и катушки L1 не более чем миф. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении фер¬рита от каркаса L1 на расстоянии до 5 мм датчик уверенно срабатывает от сотрясения и качения феррита вблизи катушки. Это достигается высокой чув¬ствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Кроме указанной на схеме микросхемы можно применить ее полные аналоги LM358, С358С, НА 17358, а также полные аналоги этого популярного компаратора, выпус¬кающиеся другими фирмами. Отечественные микросхемы аналоги компа¬ратора К1401УД5А—К1401УД5Б, К544УД8А—К544УД8Б, КР1040УД1А, КФ1053УД2(А).
При применении микросхемы К544УД8А—К544УД8Б чувствительность узла несколько понизится и придется изменить при подключении выводы микро-схемы. Кроме того, в качестве феррита (прямоугольной формы) можно ис¬пользовать обыкновенный кусочек магнита.
Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 или аналогичный. Выпрямитель¬ный диод VD2 заменяют на КД213, КД105, Д202 или аналогичные по элек¬трическим характеристикам с любым буквенным индексом. Остальные дио¬ды типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом. Перемен¬ный резистор R1 типа СПО-1, СПЗ-ЗОВ, СПЗ-12В или подстроечный типа СП5-28В, СПЗ-1ВБ (оба многооборотные). Главное— при выборе типа этих резисторов в том, чтобы они имели линейную характеристику изменения со¬противления. При необходимости достижения узлом максимальной и нерегу¬лируемой чувствительности данный резистор из схемы просто исключают, а средний вывод, показанный на схеме, соединяют с верхним (по схеме) выво¬дом катушки L1. Ограничительный резистор R7 типа МЛТ-0,5. Все осталь¬ные постоянные резисторы типа МЛТ-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, реко¬мендации к выбору последнего такие: FRS10C-03, TRU-12VDC-SB-SL, ТП 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 напряжение коммутации. Все указанные здесь типы реле коммутируют ток до 3 А при напряжении до 250 В