Danas je nabavljen elektronički uređaj koji kombinira detektor metala, detektor mrežnih vodova pod naponom, detektor kratkog spoja i voltmetar oznake NR 22205, njemačkog proizvođača Proxxon vjerojatno iz 1990-tih godina. Tvrtka Proxxon posluje od 1970-tih godina i poznata je po proizvodnji kvalitetnih malih ručnih električnih alata namijenjenih prvenstveno za hobiste i finu obradu materijala.
Kad se uređaj koristi kao detektor metala potrebno je potenciometrom sa sklopkom uključiti uređaj (EIN), a zatim se pomoću skale instrumenta namjestiti željeni prag osjetljivosti i očitava detekcija metala. Uključenjem uređaja paralelno se uključuje i pojačalo za detekciju mrežnih električnih vodova pod naponom, a pozitivna detekcija signalizira se preko crvene indikacijske LED diode. Kad se uređaj koristi kao voltmetar ili detektor kratkog spoja (neprekinutosti) vodova sklopka potenciometra ostaje isključena (AUS). Za detekciju kratkog spoja mjerni kablovi spajaju se u utičnicu DURCH GANG, a kod mjerenja napona isti se uključuju se u utičnicu VOLT TEST. Uređajem se izravno mogu mjeriti samo istosmjerni naponi do 15 V.
Iscrtali smo shemu uređaja Proxxon NR 22205 te se mogu uočiti tri zasebna strujna kruga: krug za detekciju mrežnog napona baziran na 4-stupanjskom tranzistorskom pojačalu, krug za detekciju metala baziran na tranzistorskom oscilatoru i dva stupnja pojačanja, te pasivni krug voltmetra i detektora kratkog spoja. Idemo redom…
Beskontaktni detektor vodova pod naponom
Beskontaktni detektor vodova pod naponom radi na principu detekcije slabog izmjeničnog elektromagnetskog polja koje se stvara oko vodova pod naponom. Cijelu stvar možemo zamisliti kao transformator gdje primarnu stranu čini vod pod izmjeničnim naponom koji testiramo, a sekundarnu stranu čini vod (antena) detektora. Naravno, s obzirom da u transformaciji energije sudjeluju vrlo male duljine vodiča između kojih nema nikakve magnetski vodljive jezgre, time će i prijenos energije biti vrlo mali, pa detektor mora imati dobro strujno i naponsko pojačalo kako bi se taj vrlo mali inducirani napon mogao detektirati.
Elektromagnetsko polje će se stvarati samo oko vodiča kojim teče struja. Ukoliko nemamo zatvoren strujni krug neće biti struje pa ni EM polja. No, kad antenu detektora približimo vodu pod izmjeničnim naponom, vrlo mala struja će poteći kapacitivnom vezom sa voda pod naponom preko zraka na antenu detektora i dalje prema uzemljenju (ova struja će poteći zbog razlike potencijala između voda pod naponom i antene detektora).
U bolje detektore obično se ugrađuju i filtri. Na ulaznom dijelu filtrima se blokiraju visokofrekvencijski RF signali ili statički elektriciteti na anteni koji bi mogli uzrokovati lažnu detekciju (ciljani propusni opseg je 50-60 Hz kolika je frekvencija napona gradske mreže). Na izlaznom se dijelu filtrima oblikuje pojačani signal za željeni prikaz preko LED diode (npr, treperenje na frekvenciji ulaznog signala ili kontinuirano svjetlo).
Pojačanje sa tri-četiri tranzistora (koliko se obično nalazi u stupnjevima pojačala tranzistorskih beskontaktnih detektora) iznosi oko 8 milijuna puta te će i ta vrlo mala struja biti dovoljna da u zadnjem stupnju tranzistorskog pojačala uključi LED.
Iako je detekcija beskontaktnim detektorom izmjeničnog napona u većini slučaja točna, vidi se da dosta faktora može utjecati na pouzdanost detekcije. Količina EM zračenja može biti višestruko prigušena u mrežnim kablovima gdje fazni i nulti vodovi idu paralelno jer se njihova suprotna magnetska polja velikim dijelom poništavaju. Stoga je preporuka da se, ukoliko se beskontaktnim detektorom (pogotovo nekim jeftinim) ne detektira napon, za svaki slučaj vod provjeri još i voltmetrom ili nekom drugim kontaktnim ispitivačem prije nego ćemo ga moći bez straha uhvatiti prstima.
Kao antena za prikupljanje EM energije koju zrače strujni vodovi koristi se komadić Cu-lak žice.
Naš detektor mrežnog napona se sastoji od četiri stupnja tranzistorskog pojačanja. Iako su u svim stupnjevima tranzistori u spoju sa zajedničkim emiterom ipak svaki stupanj ima svoju specifičnu ulogu.
U prvom stupnju sa tranzistorom T1 stabilizacija kolektorske struje izvedena je emiterskim otpornikom R5 za temperaturnu stabilizaciju i djeliteljem napona za bazu R2-R3 koji osigurava stalnu struju baze i kad nema ulaznog signala. To je uobičajeni i jedan od boljih načina podešavanja i stabilizacije radne točke tranzistora za audio pojačala. Međutim, ovdje se uočava i kondenzator C1 spojen između baze i kolektora tranzistora. Ovaj kondenzator povećava ulazni kapacitet pojačala (Millerov efekt) no također zajedno sa otpornikom R1 djeluje kao niskopropusni filtar koji u našem slučaju prigušuje frekvencije (znatno) veće od 50 Hz. Testom smo utvrdili da na ulaznoj frekvenciji od 1,5 kHz pojačalo više nema pojačanja, a do 20 kHz je signal već gotovo potpuno prigušen. Tako je pojačalo najviše osjetljivo na relativno nisku frekvenciju gradske mreže, te ne reagira na različite VF smetnje koje tipično proizvode električni uređaji u radu. Posebno je važno da pojačalo nije osjetljivo na frekvenciju oscilatora metal detektora od 220 kHz koji radi paralelno sa ovim detektorom AC napona. Prvi stupanj je dakle selektivno naponsko pojačalo ulaznog signala, a prednaponi su podešeni tako da je izlazni sinusni signal biasiran u pozitivno područje.
Snimak prikazuje ulazni sinusni napon frekvencije 50 Hz (žuto) i izlazni signal iz prvog stupnja pojačanja (plavo).
Prvi i drugi stupanj su vezani RC vezom R4-C2. Drugi stupanj pojačanja sa tranzistorom T2 nema emiterski otpornik nego se temperaturna stabilizacija radne točke tranzistora vrši samo djeliteljem napona za bazu tranzistora R6-R7. Ovim načinom se dobije nešto slabija stabilizacija no ista za naše pojačalo posve zadovoljava. Drugi i treći stupanj su također vezani RC vezom R8-C3. Međutim, ovdje je dodan paralelno vezani kondenzator C4 koji filtrira sinusni napon i čime u konačnici dobivamo vršnu vrijednost toga napona. Najbolje je to vidjeti na osciloskopu.
Pozitivno biasiran sinusni signal iz prvog stupnja pojačanja (plavo) i vršna vrijednost istog (žuto) koja se dobiva na kondenzatoru C4. Negativni pikovi koji se vide posljedica su klipinga, odnodno pomaka radne točke tranzistora u područje zasićenja. Iz istog razloga se jasno uočavaju i odrezani vrhovi gornjih amplituda napona. Ovo ne utječe na rad detektora. Kliping je vjerojatno nastao i zbog prevelikog napona testnog signala, no da smo smanjili ulazni napon snimanje oscilograma bi bilo manje čisto i sa manje detalja.
Tranzistor T3 je stabiliziran samo baznim otpornikom što je vrlo jednostavan način podešavanja radne točke tranzistora, no ovdje je temperaturna stabilizacija vrlo loša i lako se može dogoditi pomak radne točke uslijed zagrijavanja tranzistora. To u našem slučaju nije od velikog značaja jer nama ovdje ne treba audio pojačalo vrlo dobre stabilizacije radne točke kako bi osigurali malo izobličenje i distorziju signala, nego je posve dovoljno grubo procesuiranje ulaznog signala za kontrolu tranzistora kao sklopke. Također, prva dva stupnja pojačanja su dovoljno stabilizirana tako da se pogreška ne pojačava (umnožava) s prethodnih stupnjeva, a treći stupanj se onda više neće toliko temperaturno destabilizirati da bi radna točka izašla izvan normalnog radnog područja tranzistora. Četvrti stupanj sa T4 koji radi kao radi kao čista tranzistorska sklopka, a taj režim rada je određen baznim otpornikom R12 (struja zasićenja).
Snimak pokazuje kako neželjeni impulsni signal također okida treće pojačalo, no ovi kratki prekidi se ne uočavaju na svijetljenju LED diode.
U konačnici, filtrirani vršni napon upravlja tranzistorskom sklopkom sa tranzistorom T4 koja u čijem kolektorskom krugu je indikacijska LED. U slučaju izostanka ulaznog napona, izostati će napon i na ulazima sva četiri pojačala te kroz LED u kolektorskom krugu T4 neće teći struja jer će tranzistor biti zatvoren.
Signal na ulazu i izlazu iz četvrtog tranzistora. Snimak je zanimljiv samo iz razloga jer početni kliping ima utjecaj i na napon na samoj LED diodi, no ovi kratki prekidi ne smanjuju srednju vrijednost napona u tolikoj mjeri da bi to bilo vidljivo na intenzitetu svijetljenja LED.
Na internetu ćete uglavnom naći sheme beskontaktnog detektora mrežnog napona sa tri ili četiri stupnja obično izravno vezanih tranzistorskih pojačala. Takav sklop će imati povećanu mogućnost lažne detekcije ili izostanka detekcije. Ovdje pak vidimo kako se uz dodatak svega nekoliko pasivnih komponenti i namjenski podešenih radnih točki pojačala dobiva frekvencijski selektivan ulazni krug i okidna kontrola paljenja indikacijske LED tako da se dobije jasna “DA-NE” indikacija, a ne da LED svijetli različitim smanjenim i teško uočljivim intenzitetima ovisno o ulaznom naponu.
Detektor metala
O detektorima metala ovakvog tipa (građevinski detektori) već smo pisali u objavi Brennenstuhl MS 750 pa se ovdje nećemo ponavljati. Uglavnom, Brennenstuhl MS 750 i ovaj naš Proxxon NR 22205 imaju vrlo slične elektroničke sheme s tom razlikom što je kod Proxxona na izlazu instrument sa zakretnim svitkom umjesto indikacijske LED.
Detektor se bazira na tranzistorskom Colpitts oscilatoru (T5). Iskorištava se pojava smanjenja izlazne amplitude sinusnog napona iz oscilatora kada se zavojnici približi metalni predmet koji poremeti Q-faktor titrajnog kruga. Da bi to funkcioniralo početna amplituda oscilatora kada nema vanjskih utjecaja mora biti donekle stabilna, a u našem slučaju se to postiže stabilizacijom napona napajanja zener diodom 5,6 V.
Titrajni krug oscilatora čini zavojnica L21 i kondenzatori C21 i C22 te isti oscilira na frekvenciji cca 220 kHz. Međutim, odmah vidimo da su C21 i C22 bitno različitih vrijednosti kapaciteta što će pomaknuti simetriju pozitivnih i negativnih oscilacija većim dijelom u negativne vrijednosti. Visokopropusnim RC filtrom C25-R25 uklanja se istosmjerna komponenta napajanja. Što je amplituda signala iz oscilatora veća, to je više negativnija, pa će T6 biti više zatvoren i izlazni signal iz njega manje amplitude. Vrijedi naravno i obrnuto. Tako ćemo bez prisutnosti metala iz oscilatora imati veliku amplitudu (negativnog) napona, što će rezultirati malom amplitudom na izlazu iz T6. Kondenzator C26 filtrira sinunsni napon čime se dobiva njegova trenutna vršna vrijednost. Mala vršna vrijednost napona će malo otvoriti izlazni tranzistor T7, pa će isti propuštati malu kolektorsku struju, čime će biti i mali otklon instrumenta u tom strujnom krugu.
Snimci prikazuju izlazni napon iz oscilatora te filtrirani napon nakon tranzistora T6. Lijevo je primjer kada je amplituda iz oscilatora velika, što rezultira malim naponom na izlazu iz T6. Desno je obrnuti primjer, kad je amplituda oscilatora mala i pomaknuta više prema pozitivnim vrijednostima, što uzrokuje veće otvaranje tranzistora T6 i veću razinu filtriranog napona na izlazu.
Ovdje je zanimljivo primijetiti kako je promjenom vrijednosti jednog kondenzatora u titrajnom krugu oscilatora izbjegnuta upotreba diode u krugu detektora vršne vrijednosti napona.
Voltmetar i detektor kratkog spoja (ommetar)
Ovo su dva vrlo jednostavna pasivna mjerna kruga. Za detekciju kratkog spoja utaknu se ispitni kablovi u utičnicu DURCH GANG. Pozitivni pol baterije je trajno vezan na pozitivnu priključnicu instrumenta, a kratkim spojem ispitnih kablova negativni pol baterije preko R34 dolazi na negativnu priključnicu instrumenta. Tako instrument pod internim baterijskim naponom pokazuje otklon, a on je kalibriran otpornikom R31 na puni otklon kod kratkog spoja mjernih kablova.
Kod mjerenja napona ispitni kablovi utaknu se u utičnicu VOLT TEST. Pozitivni pol napona dolazi preko kalibracijskih otpornika R32 i R33 na pozitivnu priključnicu instrumenta, a negativni pol napona preko R34 na negativnu priključnicu instrumenta.
U modu ispitivača kratkog spoja (ommetra) kazaljka instrumenta počne reagirati već kod otpora reda 1 MΩ. Od 500 kΩ pa prema nuli skala instrumenta je prilično linearna pa je šteta što nije baždarena za mjerenje otpora. U modu mjerenja istosmjernog napona do 15 V instrument prati točnost podjele nelinearne skale što znači da se može koristiti za neka mjerenja točnosti cca ±10%.
Ovaj detektor na testovima ni po čemu ne zaostaje za današnjim uređajima za istu namjenu. Po osjetljivosti i mogućnosti očitanja analogni instrument sa kazaljkom čini se bolje rješenje od LCD-ova koji se danas ugrađuju u većinu takvih detektora. Zamjerka je jedino nedostatak bilo kakve zvučne indikacije, barem kod ispitivača kratkog spoja. Šteta što nije iscrtana i neka, makar gruba, omska skala kad se instrument već ponaša kao ommetar.
Čitav sklop bazira se na 7 tranzistora i nekoliko pasivnih komponenti. Da je ugrađena još jedna sklopka i otpornik, te možda još koja dioda, mogao se proširiti mjerni opseg voltmetra na izmjenične mrežne napone. No, očito se kod dizajna ovog PROXXON-ovog detektora nije ciljalo na elektroničare ili električare već na hobiste kojima elektrika nije primarni interes i ne žele se opterećivati nepotrebnim kontrolama, opsezima, skalama i oznakama. Dovoljno je ugrubo provjeriti napon kakve baterije ili akumulatora, ispitati da li je kakva žica u prekidu ili provjeriti ima li ispod žbuke kakvih kabela, kao što se to obično zna dogoditi, baš na mjestu gdje smo odlučili zakucati čavao za kakvu novu sliku 🙂