Zapojení tohoto jednoduchého indukčního snímače bylo navrženo pro potřeby ukázky principu činnosti reálných indukčních snímačů a jako praktická ukázka jedné z možnosti bezkontaktního spínání. Dále jej  využívám při demostraci vlivu různých materiálů na indukčnost a také jako ukázku vlivu tvaru jádra na její parametry. Dále byl tento obvod použit pro potřeby republikového kola soutěže dětí a mládeže v radioelektronice, kde jej stavěla na univerzální desku 50x70mm věková kategorie 13 - 16 let.

Snímač je založen na obvodu A301D, který pochází z produkce bývalé NDR a byl určen právě pro aplikace bezkontakntích snímačů a spínačů, založených na různých fyzikálních principech (optické, indukční, kapacitní apod.). Obvod sestává ze čtyř základních bloků a to stabilizátoru (a současně zdroje vnitřních referenčních napětí), zesilovače, spínače prahové úrovně a výstupních obvodů viz obrázek 1.

Obr. 1. - Blokové schéma A301D [1]

Obr. 2. - Schéma zapojení snímače

Na obrázku 2. je celkové zapojení realizovaného indukčního snímače, které je oproti katalogovému zapojení doplněno o obvod stabilizátoru napětí, indikátory stavu a silovým výstupem pro ovládání relé. Stabilizátor napětí je zde realizovám pomocí lineárního stabilizátoru 78L05, nicméně samotný obvod A301D je možné napájet napájecím napětím 5 - 24V. Tato úprava není nezbytná, neboť obvod má ve své vnitřní struktuře integrován obvod stabilizátoru.

Dále je zde paralelní rezonanční obvod tvořený kondenzátorem C1 a cívkou L1. Snímací cívka L1 je tvořena jednou polovinou hrníčkového jádra P14x8 z materiálu H12 a konstantou A_L=1500. Tato konstanta je však uvažována pro uzavřené hrníčkové jádro bez mezery (tj. kompletní pár) a při použití jedné poloviny tohoto hrníčkového jádra se konstanta A_L pohybuje kolem hodnoty 33. Pro cívku oscilačního obvodu pak vypočteme počet závitů ze vzorce N=√(L/A_L) a vyjde nám přesně 100 závitů.

Pro jiný rozměr indukčního snímače, nebo pro jiný typ jádra uvádím možný postup určení neznámé hodnoty A_L. Na kostřičku jádra navineme známý počet závitů, já používám obyčejně 10 závitů (při větším počtu závitů dosáhneme přesnějšího určení hodnoty A_L). Potom vložíme kostřičku do jádra tak, jak bude v reálném případě použita a změříme indukčnost pomocí RLC metru. Z naměřené hodnoty indukčnosti vypočítáme konstantu A_L podle vzorce A_L=L/N², pro potřeby výpočtu je nutné převést hodnotu indukčnosti tak, aby byla vajádřena v jednotkách nH. Výsledná konstanta A_L nám pak poslouží k určení počtu závitů pro zadanou indukčnost a konkrétní jádro.

CX slouží jako integrační kondenzátor pro detekci detekci stavu oscilátoru. V případě, že oscilátor nekmitá (obvod je rozladěn) pohybuje se napětí na integračním kondenzátoru kolem 2,9V, v případě že oscilátor kmitá hodnota napětí se pohybuje kolem 1,4V. Toto napětí pak obvod komparátoru vyhodnocuje a následně ovládá výstupy Q a /Q. Komparační úrovně schmittova klopného obvodu jsou vniřně nastaveny na hodnoty U_L ≈ 1,6V a U_H ≈ 2,7V. Výstupní tranzistory na výstupech Q a /Q dokážou spínat zátěž až do 50mA a pro účely jejich posílení je zde nyvržen obvod pro spínání proudů až do hodnoty 500mA a navíc je vybaven ochrannou diodou, pro spínání indukční zátěže.

Popis nastavení

Stěžejním prvkem je zde cívka, na které závisí nejvíce. Pokud nebude mít správnou hodnotu, nebude možné rezonanční obvod dostat do stavu oscilací a zapojení nebude fungovat. Protže jsem se u mládeže, které je tato konstrukce určena, setkal s problémem vinutí cívek chtěl bych zde připomenout fakt, že ačkoliv je parametr A_L malý, je velice důležité navinout správný  počet závitů. Když se podíváme na vzoreček pro výpočet indukčnosti z konstanty A_L a počtu závitů L=A_L*N², je patrné, že indukčnost roste s počtem závitů kvadraticky. Prakticky to znamená, že při chybě navinutém počtu závitů o pouhých 5 se hodnota indukčnosti změní přibližně 0 10%, při chybě 10 závitů je to již 20% a při 15 závitech je chyba 30%. Proto nelze spoléhat na to, že závit sem, závit tam a pečlivě si závity počítat.

Pokud je obvod dobře setaven, cívka dobře navinuta, funguje snímač většinou na první zapojení s tím, že je pouze potřeba nastavit zesílení oscilátoru a tím jej nastavit do správného pracovního bodu. Toto se provede pomocí trimru R1 tak, že jeho změnou hledáme úroveň přpnutí výstupu indikované diodami LED. Prvotní nastavení je tedy za námi, a můžeme přejít k přesnějšímu dostavení. Toto se provádí proto, aby nebyl snímač příliš citlivý, protože pak nemusí pracovat spolehlivě. Doporučená maximální snímací vzdálenost tohoto indukčního snímače - prakticky se dá říct, že maximální vzdálenost na kterou je indukční snímač použitelný, je 1/2 průměru snímací cívky. Teoreticky jsem sice dosáhl snímané vzdálenosti až do vzdálenosti celého průměru cívky, ale v tomto režimu se choval spínač nestabilně a zůstával sepnutý. Prakticky jsem citlivost snímače nastavoval tak, že na boční stěnu hrníčkového jádra jsem přiložil kovový předmět (pinzetu apod.) a pak jsem nastavil citlivost tak, aby v tomto případě byl snímač neaktivní. Tomuto nastavení pak odpovídala snímací vzdálenost právě 1/2 průměru jádra.

Jelikož je zapojení velice triviální, je konstrukce sestavena na univerzálním plošném spoji o rozměrech 50x70mm. Tento přístup jsem zvolil zejména proto, aby se mládež naučila pracovat se součástkami, poznávat je, rozmisťovat na desce a také pájet. Mnozí říkají, že toto není příliš šťastná volba pro mládež, ale dle mého názoru je práce s univerzálním plošným spojem první cestou k návrhu plošného spoje. Vhodné rozmístění součástek je více či méně otázka zkušeností a já pevně tvrdím, že osazením součástek do hotového spoje se servisním potiskem tuto dovednost nikdy nemůže rozvíjet. Výhodou je, že s využitím pájivé univerzální desky můžou realizovat své projekty i ti nejmladší, a to bez rizika práce s nebezpečnými chemikáliemi v domácích podmínkách. Samozřejmě že pokud budeme hovořit o sériové výrobě, více kusů, je podstatně výhodnější navrhnout DPS dle potřeb, ale toto není tento případ.

Před nedávnou dobou jsem na internetu objevil zajímavý program pomocí kterého je možné připravit návrh spoje na univrzální desku a vygenerovat celkem pěkné podklady pro opakovanou výrobu. Jeho výstupy jsou generovány jako obrázky a jejich náhled pro tento indukční snímač jsou uvedeny níže. Pro ty kterí by měli zájem si tento volně šiřitelný program vyzkoušet je možné jej stáhnout na následujícím odkazu:

BlackBoard Circuit Designer 1.1

Možné provedení návrhu zapojení na univerzální plošný spoj

Použité zdroje:

[1]   Halamíček, V., DOBEŠ, V.,ed. et al. Katalog elektronických součástek, konstrukčních dílů, bloků a přístrojů. Sv. 4, Elektronické součástky dovážené ze zemí RVHP. Praha: Tesla Eltos, 1988. 778 s.

[2]   BUTTGERIET, D., HABERLANDT, K-H., Information-Applikation. Mikroelektronik Heft 2, Aufbau, Eigneschaften und Anwendung des integrierten Initiator-Schaltkreises A301D. Frankfurt: RFT, 1979. 73 s.