Danas je nabavljen građevinski detektor metala oznake NR 22000, njemačkog proizvođača Proxxon vjerojatno iz 1980-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.
Proxxon NR 22000 ima samo funkciju detekcije metala do nekoliko centimetara dubine unutar zidova, gipsanih ploča i sličnih građevinskih konstrukcija. Indikacija je svjetlosna preko LED diode i zvučna preko piezo-zvučnika.
Do sada smo već opisali četiri slična detektora metala, od kojih su dva tranzistorska, a druga dva su modernijeg tipa i baziraju se na mikrokontroleru:
Za mikrokontrolerske detektore ne možemo znati točan način rada jer bi za to trebala analiza upisanog programa (softvera). Znamo samo da KH2927-2 koristi kontinuirano, a HG08682A impulsno EM zračenje. Ovaj naš Proxxon NR 22000 pak principijelno radi kao i prva dva tranzistorska detektora, odnosno iskorištava se pojava smanjenja izlazne amplitude sinusnog napona iz oscilatora kada se zavojnici približi metalni predmet koji poremeti Q-faktor titrajnog kruga.
Shemu metal detektora Proxxon NR 22000 možemo razlučiti na četiri osnovna sklopa: LC oscilator i detektor (T1, T2), LED indikacija (T4), zvučna indikacija (T3, CD4069) i stabilizator napona napajanja oscilatora (T5, T6).
Za razliku od prethodno opisanih detektora Brennenstuhl MS 750 i Proxxon NR 22205 koji se baziraju na Colpitts oscilatoru, u naš Proxxon NR 22000 je ugrađen LC oscilator baziran na tranzistoru T1. Kod takvog oscilatora titrajni krug L1-C1 koji određuje rezonantnu frekvenciju (cca 100 kHz) nalazi se u kolektorskom krugu tranzistora, a oscilacije se podržavaju pozitivnom povratnom vezom preko spregnute zavojnice L2. Kada je napajanje uključeno, tranzistor počinje voditi, a kondenzator C1 se počinje puniti. Kada je kondenzator potpuno napunjen, počinje se prazniti kroz primarnu zavojnicu L1. Tako se energija pohranjena u kondenzatoru premješta se na zavojnicu koja uslijed toga inducira elektromagnetsko polje. Uslijed EM indukcije ponovno se stvara napon koji puni kondenzator i ciklus se ponavlja. Međutim, u svakom ciklusu se dio energije izgubi na parazitskim otporima, pa bi oscilacije postajale sve slabije dok se potpuno ne izgube. Da se to spriječi, uzima se mala količina napona iz L1 indukcijom preko L2, taj napon se zatim pojačava preko tranzistora i vraća natrag na titrajni krug kako bi se kompenzira izgubljena energija. To je jedan od najjednostavnijih osnovnih spojeva oscilatora.
Međutim, ovdje je na zanimljiv način izveden krug za uzimanje dijela VF napona iz oscilatora za detekciju amplitude. Taj napon se ne uzima sa glavne oscilatorske zavojnice titrajnog kruga L1 nego sa sekundarne zavojnice L2 preko koje se podržava osciliranje. Napon na L2 je naravno iste frekvencije kao i napon na L1, no također se i amplituda napona na L2 mijenja proporcionalno s amplitudom napona na L1. Tako, ukoliko se smanji amplituda oscilacija na L1 (približavanjem metalnog predmeta) smanjiti će se i inducirana amplituda oscilacija na L2 pa taj napon također možemo koristiti za detekciju promjene amplitude.
Zavojnica L2 dakle napaja baze oba tranzistora, tranzistora T1 za podržavanje oscilacija i tranzistora T2 za detekciju promjene amplitude napona iz oscilatora. Preko L2 (koja je zanemarivog istosmjernog otpora) određuje se prednapon (bias) baze tranzistora T1, odnosno radna točka oscilatorskog tranzistora. Taj napon baze se ovdje dobiva preko diode D1 na emiteru T2 i iznosi stabilnih oko 0,7 V koliki je prag vođenja silicijske diode, te je dovoljan da tranzistor drži otvorenim. Također, preko diode se održava i temperaturna stabilnost radne točke tranzistora.
Primarna zavojnica L1 sadrži 120 namota, a sekundarna zavojnica L2 40 namota Cu-lak žice promjera 0,3 mm na feritnom štapu dimenzija 10×120 mm. Sama frekvencija oscilatora nije kritična kod ovakvih detektora i ne utječe značajno na parametre detekcije. Obično je u rasponu 50-500 kHz.
Smjer namotavanja sekundarne zavojnice (L2) je takav da je napon preko nje fazno pomaknut za 180° u odnosu na napon preko primarne zavojnice (L1). Tako krug povratne veze proizvodi fazni pomak od 180° ali i sam tranzistor proizvodi fazni pomak od još 180°. Kao rezultat dobiva se ukupni fazni pomak od 360° između ulaza i izlaza, odnosno oba napona su u fazi što je nužno za rad oscilatora (pozitivna povratna sprega).
Napon na primarnoj zavojnici L1, odnosno kolektoru tranzistora (žuto) i napon na sekundardnoj zavojnici L2, odnosno bazi tranzistora (plavo). Napon na L2 je fazno pomaknut za 180° od napona na L1, no i sam tranzistor okreče fazu napona za 180° pa će oscilacije titrajnog kruga biti podržane naponom u fazi (pozitivnom povratnom spregom).
Na snimku također vidimo da je napon iz L2 (plavo) amplitude oko 1,4 V. Napon je biasiran u pozitivno područje (preko diode 0,7 V), a kondenzator C2 filtrira taj sinusni napon na izlazu iz T2 čime dobivamo gotovo istosmjerni vršni napon za okidanje indikacijskih krugova. Kada vršna vrijednost napona padne ispod cca 1,2 V detektorski krug će uključiti svjetlosne i zvučne indikacijske krugove.
Kako bi se osigurala konstantna amplituda oscilacija s obzirom na pad napona uslijed trošenje baterije, oscilator se napaja preko paralelnog (shunt) tranzistorskog stabilizatora podešenog na 4 V. Stabilizator čine dva tranzistora (T5, T6) u Sziklai spoju (PNP/NPN komplementarni Darlingtonov spoj). Paralelni ili shunt tranzistorski stabilizatori se za razliku od serijskih tranzistorskih stabilizatora izuzetno rijetko koriste jer imaju malu korisnost i do sada smo ga susreli samo kod Generatora 50 MHz RIZ.
LED indikacija se uključuje preko T4, a zvučna indikacija preko T3 koji kontrolira NF oscilator frekvencije cca 3,4 kHz baziran na integriranom krugu CD 4069 (šest invertera). U našem slučaju se koriste samo tri invertera, no na pločici se vidi da se ista koristi i za druge inačice detektora koji vjerojatno uključuju i indikaciju mrežnog napona, za što se između ostalog koriste i preostali inverteri (vidi objavu Brennenstuhl MS 750).
Oscilator tonske frekvencije bazira se na dva invertera i RC elementima koji određuju frekvenciju osciliranja. Pretpostavimo da je ulaz invertera 11-10 na logičkoj 1 čime je izlaz na logičkoj 0. U tim uvjetima počinje punjenje kondenzatora preko otpornika. Kad se kondenzator napuni dovoljno da napon na njemu pređe prag okidanja ulaz na inverteru 9-8 postaje logička 1, a izlaz logička 0. Sada se kondenzator počinje prazniti preko otpornika sve dok napon ne padne i krug se opet ne vrati u prvobitni položaj. Tako nastaju oscilacije.
Ove oscilacije se mogu omesti i time prekinuti dovođenjem stalne logičke 1 ili 0 na ulaz invertera 9-8. Tako u našem slučaju inverter 5-6 služi za osiguranje potrebne logičke razine napona koji se preko tzv “gating” diode dovodi na ulaz oscilatorskog invertera 9-8. Kad je dioda polarizirana kao u našem slučaju onda će logička 0 blokirati rad oscilatora, a kad je obrnuto polarizirana onda će logička 1 blokirati rad oscilatora. Ukoliko napon na kolektoru tranzistora T3, odnosno na ulazu u inverter 5-6 pređe prag od cca 1,4 V tada će inverter to prepoznati kao logičku 1 te stanje na izlazu postaviti na logičku 0. Oscilator će u takvom stanju biti blokiran i neće oscilirati. Tek kad napon padne ispod 1,4 V logička stanja će se promijeniti, oscilator će proraditi i zvuk će se čuti iz piezo-zvučnika.
S obzirom da inverter 5-6 ima svoj definiran viši prag okidanja za promjenu logičkog stanja nego je to potrebno za otvaranje tranzistora, to će zvučna indikacija nešto kasniti za svjetlosnom. Naime, LED dioda će se preko tranzistora T4 početi paliti već na naponu baze od 1 V, a zujalica će kao što smo opisali proraditi tek na 1,4 V.
Ovaj posve jednostavni sklop detektora metala implementira vrlo specifične elektroničke krugove koji se rijetko nalaze kod drugih uređaja, a još manje u stručnim opisima temeljnih LC oscilatora. Jednostavno fascinira razina znanja i sposobnosti inženjera da već u 1950-tim godinama razviju kako izuzetno složene tako i posve jednostavne, no vrlo pametno osmišljene sklopove koje je teško razumjeti mnogim današnjim elektroničarima čak i uz svu lako dostupnu stručnu literaturu.
Izrada što funkcionalnijeg sklopa sa što manje utrošenih elemenata uvijek je bio prioritet, no vrhunac toga je dosegnut negdje u 1990-tim godinama. Danas gotovo svaki električni i elektronički uređaj koliko god bio jednostavan sadrži čitavo jedno malo mikro-računalo u obliku nekog mikrokontrolera, a svaki taj mikrokontroler sadrži tisuće ili milijune tranzistora što bi ne tako davno bio nezamisliv utrošak za neki mali jeftini elektronički uređaj široke potrošnje. Naravno, s obzirom na današnju cijenu proizvodnje, jedan mikrokontroler ili slični integrirani krug cjenovno je gotovo u rangu sa nekoliko pojedinačnih tranzistora, pa onda i ne čudi smjer kojim je krenula današnja realizacija elektroničkih uređaja 🙂