Датчики, обнаруживающие и отслеживающие небольшие металлические предметы, являются удобными устройствами, независимо от того, используются ли они для маршрутизации заготовок на линии сборки или для прочесывания пляжа в поисках затерявшихся в песке «сокровищ». Типичная конструкция датчика состоит из катушки индуктивности, встроенной в генератор так, что попадание металла в магнитное поле катушки изменяет частоту колебаний. На Рисунке 1 показан пример особенно простого и дешевого датчика, который формирует последовательность импульсов переменной частоты порядка 100 кГц, пригодную для прямого ввода во внутренние периферийные счетчики/таймеры стандартных микроконтроллеров.
 |
|
| Рисунок 1. | Триггер, выходы которого перекрестно связанны дросселем, образует генератор с периодом колебаний, пропорциональным индуктивности, и, таким образом, является простым датчиком металлических объектов. |
Вот как он работает.
Транзисторы Q1, Q2 и связанные с ними резисторы представляют собой элементарный бистабильный мультивибратор (триггер), который при включенном питании обычно устанавливается в одно из двух устойчивых и взаимоисключающих состояний: Q1 включен и Q2 выключен, или наоборот. Но все становится более интересным (и менее стабильным), когда между коллекторами транзисторов добавляется дроссель L, как показано на рисунке.
Теперь из-за разности напряжений на коллекторе выключенного транзистора (примерно 2.5 В) и включенного транзистора (примерно 0 В) и с учетом того, что последовательное сопротивление дросселя намного меньше Rn (n = 1, 2, 3 или 4), ток через L начинает нарастать с постоянной времени L/(R/2). Это нарастание приводит к снижению напряжения на коллекторе выключенного транзистора и, соответственно, к уменьшению тока, поступающего в базу включенного транзистора. В конце концов ток базы становится слишком мал, чтобы удерживать транзистор в насыщении, и транзистор закрывается. После этого ток дросселя IL поднимает напряжение на коллекторе этого транзистора до 5 В и включает противоположный транзистор, в результате чего направление тока IL начинает меняться на противоположное, и начинается новый полупериод колебаний. Длительность THALF каждого полупериода равна
где
R = Rn, n = 1, 2, 3 или 4;
L = индуктивность дросселя;
hFE = коэффициент передачи тока транзистора.
Таким образом,
Типовое значение hFE для транзистора 2N3904 составляет примерно 150, поэтому ln(hFE) ≈ 5, и
На Рисунках 2 и 3 более подробно показано, откуда берутся временные зависимости. Если использовать компоненты с номиналами, показанными на Рисунке 1, то
Конечно, реальное значение hFE транзистора 2N3904 зависит как от экземпляра устройства, так и от температуры, а реальные дроссели имеют значительное последовательное сопротивление, паразитную емкость и вообще редко являются прецизионными компонентами. Поэтому приведенное выше выражение для выходной частоты является несколько приблизительным, но, тем не менее, достаточно точным для предполагаемой области применения.
 |
|
| Рисунок 2. | Форма тока дросселя во время одного 5-микросекундного полупериода колебаний. |
Потребляемая схемой мощность невелика и при питании от 5 В составляет приблизительно 50 мВт; при этом схема практически нечувствительна к напряжению питания, нормально работая при напряжениях от 1 до 10 В, при условии, что допустима зависимость амплитуды выходного сигнала от напряжения питания.
 |
|
| Рисунок 3. | Осциллограммы сигналов: ток IL и напряжения на коллекторах транзисторов Q1 и Q2. |
Купить 2N3904 на РадиоЛоцман.Цены
