Радиолюбителю-конструктору. Практические схемы
1. СИ-БИ - ТЕХНИКА СВЯЗИ
В цивилизованных странах существует радиодиапаэон с особым статусом. Для работы в нем не требуется сдавать экзамены, предоставлять свидетельства своей благонадежности, давать клятвы и обещания. Нужно лишь приобрести соответствующую аппаратуру и поставить в известность (не всегда) местные радиослужбы о своем выходе в эфир. Это - Си-Би (СВ - citizen band), диапазон гражданской связи.
Появление этого диапазона в России, пусть и с урезанными возможностями (работа лишь по получении разрешения, предварительная оплата “эфира” и др.), трудно переоценить. Десятилетия “планового развития” оставили громадные ее пространства в первобытном состоянии: жители десятков тысяч наших деревень и по сей день не имеют двусторонней связи с внешним миром. Не удивительно, что российский рынок оказался чрезвычайно привлекательным для зарубежных фирм, многие годы производящих Си-Би аппаратуру и теряющих сегодня своих обычных покупателей из-за сильнейшей конкуренции со стороны производителей сотовых и спутниковых средств связи.
Однако зарубежная связная техника сталкивается у нас с запретами, ограничивающими применение в нашей стране современных форматов связи. В Си-Би, например, запрещена передача компьютерных файлов, шифрованной речи, для всех автомобильных охранных систем страны выделен один частотный канал и т.п. Конечно, зарубежная связная аппаратура с ее возможностями должна попасть и попадает под действие той или иной “домашней заготовки” наших законотворцев.
Как долго продержатся эти запреты? Есть, как минимум, две причины, по которым такое положение дел постараются сохранить возможно дольше. Одна связана с тем, что в новых форматах связи затруднен, а подчас и невозможен привычный (примитивный, обходящийся без “умной” техники) контроль. Тот самый контроль, который совсем недавно входил в нашу поднадзорную жизнь в качестве обязательной и по-своему естественной нормы. Другая имеет криминально-правовую основу: штрафные санкции - а нарушители противоестественных законов будут всегда! - образуют постоянный источник дохода законоохранительных органов.
Но так или иначе, пусть с ограничениями и сопротивлением, гражданская связь входит в нашу жизнь.
Тем или иным особенностям использования зарубежной Си-Би аппаратуры у нас, каким-то ее доработкам, улучшениям, изменениям, но и оригинальным конструкциям этого диапазона посвященряд появившихся в последнее время публикаций. Нижеследующие - в их числе.
1.1 «Радионезабудка»
1.2 Экономичный приемник для Си-Би радиостанции
1.3 Усилитель мощности для одноканальной «портативки»
1.4 Простая Си-Би антенна
1.5 Генератор для настройки ПЧ-тракта радиоприемника
1.6 Сетевой блок питания для Си-Би .радиостанции
1.7 Простой индикатор антенного тока
1.8 Высокочастотная головка к цифровому мультиметру
1.9 О коррекции S-метра в Си-Би радиостанции
у владельца, реагирующий на исчезновение
1.1 «Радионезабудка»
Микромощный радиопередатчик, находящийся в портфеле, рюкзаке и др., и специальный радиоприемник у владельца, реагирующий на исчезновение контакта с «радиофицированными» вещами вследствие их потери или, возможно, кражи, могут составить охранную систему, способную обнаружить пропажу на самых ранних ее этапах.
Микромощный передатчик. Принципиальная схема радиопередатчика «незабудки» показана на рис. 1. Режим работы высокочастотной его части (VT1, ZQ1, R5, R6, R8, С4, L1) задает устройство, включающее в себя мультивибратор (DD1.1, DD1.2, Rl, R2, С1), возбуждающийся на частоте f=l/2*R2*Cl=0,25...0,3 Гц, и формирователь (DD1.3, DD1.4, R3, С2), трансформирующий один из фронтов меандра мультивибратора в импульс длительностью tимп=R3*C2=20 мс.
Рис. 1. Принципиальная схема микропередатчика «незабудки»
Таблица 1
| Uпит,В | Iпотр, мкА |
| 2,5 | 3,5 |
| 3,7 | 13 |
| 4,2 | 36 |
| 5,0 | 46 |
| 5,5 | 55 |
| 6,0 | 62 |
Передатчик работает в импульсном режиме. Лишь при появлении на выходе DD1.4 напряжения, равного Uпит , будут созданы условия его возбуждения: откроется электронный ключ (транзистор VT2) в цепи питания, а в базе транзистора VT1 возникнет необходимый начальный ток. Время вхождения передатчика в рабочий режим и, соответственно, фронт излучаемого им радиоимпульса - ~4 мс*.
В паузе между импульсами энергопотребление высокочастотной части передатчика сведено практически к нулю. Для уменьшения энергопотребления элементами управления в цепь питания микросхемы DD1 введен резистор R4, снижающий напряжение на ней до величины Uпит , при которой сквозные токи составляющих ее КМОП-структур становятся достаточно малыми.
В качестве транзистора VT1 может быть взят любой кремниевый n-р-n-транзистор, имеющий граничную частоту не менее 200 Мгц. Основное требование к транзистору VT2: напряжение насыщения Uкэ нас Ј 0,2 В. Если этот транзистор будет иметь меньшее по сравнению с КТ3102Е усиление по току, то для введения его в режим насыщения потребуется соответственно уменьшить сопротивление резистора R7.
Емкость конденсатора С3=(5...10) tимп / R5 (СЗ - в мкФ, tимп - в мс, R5 - в кОм).
Катушку L1 - «магнитную» антенну передатчика - наматывают виток к витку на стеклотекстолитовой пластине 20х8 и толщиной 1,5 мм. Она имеет 30...35 витков, провод - ПЭВШО 0,25...0,3. Кварцевый резонатор ZQ1 должен иметь частоту, разрешенную Госсвязьнадзором для охранных систем: 26945 или 26960 кГц**. Важно, чтобы это был основной его резонанс (в резонаторе, рабочая частота которого является гармоникой основного резонанса, она будет указана иначе: 26,945 или 26,960 МГц). При использовании гармоникового резонатора дроссель-антенну L1 потребуется заменить полноценным колебательным контуром, включенным так, чтобы его сопротивление, приведенное к коллектору транзистора VT1, не превышало 1...1,5 кОм (возможно шунтирование контура резистором).
Рис. 2. Печатная плата микропвредатчика
Передатчик работает без какой-либо внешней антенны: при «незабудочных» расстояниях в ней просто нет необходимости. Источником питания может служить любая 6-вольтная батарея. Зависимость потребляемого передатчиком тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит показана в таблице 1.
Все элементы микропередатчика располагают на печатной плате, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм (рис. 2). Фольга со стороны деталей (на рисунке не показана) служит лишь общим проводом-экраном (с ней соединен "-" GB1), в местах пропуска проводников она имеет выборки кружки диаметром 1,5...2 мм. Соединения с ней выводов резисторов, конденсаторов и др. показаны черными квадратами.
Кварцевый резонатор ZQ1 устанавливают в вырезе печатной платы и крепят пайкой к нуль-фольге «заземляемого» вывода. Оксид ные конденсаторы СЗ (габариты 04х8 мм) и С6 (08х12 мм) монтируют в положении «лёжа»: СЗ - над микросхемой, С6 - на плате (рис. 3). Все резисторы - МЛТ-0,125. Конденсаторы: С1 - К10-176, С2 и С6 - КМ-6, С4 - КД.
Рис. 3. Микропередатчик (фото)
В качестве источника питания микропередатчика используется миниатюрная 6-вольтная батарея типа Е11А (010,3х16 мм), имеющая электрическую емкость 33 мА-ч.
В выключателе питания нет необходимости - достаточно ввести батарею в специальное гнездо, имеющее подпружиненные контакты.
Общий вид передатчика показан на фото (рис. 3).
Радиоприемник «незабудки» выполнен как супергетеродин с однократным преобразованием частоты, его принципиальная схема показана на рис. 4.
Микросхема DA1 - преобразователь, входной контур L1C1C2 которого настроен на частоту радиоканала охранной сигнализации fк - 26945 или 26960 кГц, а частота гетеродина fг, смещенная относительно fк на 465 кГц, задана и стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Сигнал разностной (промежуточной) частоты fг=465 кГц, выделенный пьезофильтром ZQ2, поступает на вход микросхемы DA2, в которую входит усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор и усилитель низкой частоты.
Операционный усилитель DA3 с транзистором VT1 на выходе представляют собой энергоэкономпчный компаратор, преобразующий импульсный сигнал малого уровня в импульс с амплитудой, близкой к Uпит. На прямой и инверсный входы DA3 сигнал поступает через частотные RС-фильтры: R8*C14=300 мс, отслеживающий напряжение питания, и R10*С15=1мс, существенно снижающий чувствительность приемника к импульсным помехам. В компараторе особенно важен резистор R9: падение напряжения на нем - DUr9- задает порог срабатывания компаратора. Так, если R9=30 кОм, то в соответствии с распределением напряжения питания в делителе, составленном из резисторов R7, R9 и R11, DUr9=30 мВ и компаратор будет реагировать лишь на входные сигналы, амплитуда которых превысит это значение.
Устройство, формирующее тревожный сигнал при исчезновении сигнала микропередатчика, содержит задающий генератор (DD1.1, DD1.2, R16, R17, С16), формирующий меандр (период tзг=2R17*C16), и звуковой генератор (DD1.3, DD1.4, R18, R19, С 18), возбуждающийся на частоте fзв=l/2R19*C18. Микросхема DD2 - счетчик. Импульс «единичной» амплитуды на R- входе устанавливает его в нулевое состояние. В счетчик введена блокировка: при появлении напряжения высокого уровня на входе CN он перестает реагировать на сигналы, поступаюпающие на вход СР.
В этом состоянии счетчика создаются условия периодического возбуждения звукового генератора: он возбуждается лишь при появлениинапряжения высокого уровняна выходе 10 DD1.1. Если tзг будет выставлено (подбором С16 или R17) так, что период следования импульсов микропередатчика окажется меньше 9tзг, то счетчик DD2, периодически возвращаемый в нулевое состояние сигналами микропередатчика, не сможет выйти в позицию "9" и возбуждение звукового генератора не состоится. При исчезновении сигналов микропередатчика тревожная сигнализация включится, очевидно, не позже, чем через 9tзг, а при их возобновлении - немедленно прекратится.
О некоторых конструктивных особенностях радиоприемника.
Индуктивность L1 - магнитная антенна. Она намотана на ферритовом стержне М30ВН диаметром 8 и длиной 40 мм***. Обмотка ведется проводом МГШВ-0,15 и имеет 5 уложенных в рядвитков. Резонансная емкость контура Срез и его добротность Q мало зависят от размещения обмотки: Срез=32 пФ и Q=260, если она находится в средней части сердечника; Срез=34 пФ и Q=280, если обмотка находится в 5...6 миллиметрах от его края.
Частоту кварцевого резонатора ZQ1 рекомендуется выбирать ниже fк. В таком случае канал «зеркального» приема (fзп-=fк -2fпч ) оказывается в мало загруженной сетке В диапазона гражданской связи.
Резистор R6, от которого зависит чувствительность приемника (она растет с перемещением движка R6 вниз - см. рис. 4), может быть выполнен подстроечным - под шлиц, или регулировочным - с удобной ручкой.
Экран, показанный на рис. 4 штриховой линией, предназначен не столько для защиты радиоприемника от внешних наводок (его чувствительность относительно невелика), сколько от внутренних: сигналы, циркулирующие в DD1 и DD2, имеют высокочастотные составляющие, которые при неудачном монтаже могут «войти» в приемный тракт, оказаться соизмеримыми с рабочими ПЧ и ВЧ сигналами.
Все постоянные резисторы в радиоприемнике - типа МЛТ-0,125;
конденсатор С1 - КТ4-23, С12, С17 - К50-35 или К50-40, С14 - К53-30, остальные - типа КД, КМ-6, К10-176 и т.п.
Приемник монтируют на печатной плате 87х41 мм, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 5). Она имеет три выреза: для размещения питающей батареи, кварцевого резонатора и обмотки магнитной антенны.
Рис. 5. Печатная плата радиоприемника
Одну сторону печатной платы используют лишь в качестве общего провода и экрана, подобно тому, как это сделано в передатчике «незабудки».
Экран изготавливают из тонкой латуни или жести, его раскрой показан на рис. 6. Три его стороны отгибают по штриховым линиям, а четвертую - плавным перегибом на болванке диаметром 10...11 мм.
Рис. 6. Выкройка экрана
Экран пропаивают в углах, выравнивают низ и крепят на печатной плате пайкой в трех-четырех точках.
Устанавливая экран на плате, имеющей иную конфигурацию проводников, необходимо проследить за тем, чтобы он не мог образовать на магнитной антенне короткозамкнутого витка: это сделало бы радиоприемник совершенно неработоспособным.
В безошибочно собранном радиоприемнике остается лишь настроить входной контур L1C1C2 на fк - частоту выбранного радиоканала. Это можно сделать с помощью генератора стандартных сигналов, так или иначе связывая его выход с входом приемника, и вольтметра (лучше цифрового) со шкалой 1...2 В, подключенного к выходу 9 микросхемы DA2. Конденсатор С1 оставляют в положении, которому будет соответствовать максимум в показаниях вольтметра. Генератор стандартных сигналов можно заменить работающей на передачу Си-Би радиостанцией, если она имеет канал 39 в сетке В европейской шкалы частот (этому каналу соответствует частота 26945 кГц), или канал 1 сетки С российской шкалы (26960 кГц).
Настройка входного контура радиоприемника может быть проведена и непосредственно по сигналам микропередатчика, расположенного в 1,5.,.2-метрах: выставив резистор R6 в среднее положение, находят такое положение конденсатора С1, при котором сигнал тревоги исчезает. При настройке приемника по сигналам микропередатчика может быть полезен осциллограф.
С его помощью легко проследить прохождение импульсного сигнала по приемному тракту, настроить входной контур (по максимальной амплитуде импульса на выходе 6 микросхемы DA3), проконтролировать работу задающего и звукового генераторов и др.
Таблица 2
| Uпит, В | Iпотр,мА |
| 4,2 | 3,5 |
| 4,5 | 3,7 |
| 5,0 | 4,0 |
| 5,5 | 4,4 |
| 6,0 | 4,7 |
Источником питания радиоприемника служит 6-вольтная гальваническая батарея 476А, имеющая малые размеры (013х25 мм) и, соответственно, небольшую емкость (105 мА-ч). В таблице 2 показана зависимость потребляемого приемником тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит, позволяющая принять решение о нужной емкости источника питания в условиях, например, многосуточного непрерывного контроля.
*) Относительно медленное возбуждение кварцованных автогенераторов обусловлено высокой добротностью кварцевых резонаторов.
**) Для передачи сигналов охранных систем по радио в нашей стране разрешены лишь эти два частотных канала.
***) Сердечник М30ВН-12 или 40-миллиметровый отрезок магнитной антенны МЗОВН-Д9001 (антенна легко ломается по нужному месту после легкого ее надреза алмазным надфилем).
в любой момент быть гото
1.2 Экономичный приемник для Си-Би радиостанции
Способность носимой радиостанции в любой момент быть гото вой принять вызов корреспондента зависит от ее энергопотребления в режиме дежурного приема. Обычно это лишь 10...30 часов работы. Далее - замена источника питания. Такая «автономность» чрезвычайно ограничивает сферу применения этой техники.
На рис. 7 приведена принципиальная схема экономичного приемника для одноканальной Си-Би-радиостанции. Транзисторы VT1 и VT2 входят в усилитель радиочастоты (УРЧ), его контуры L2C3 и L3C4 настроены на fк - частоту одного из разрешенных в этом диапазоне каналов связи (сегодня их около 160). Балансный смеситель и гетеродин выполнены на микросхеме DA1. Частота гетеродина задана кварцевым резонатором ZQ1, она должна быть ниже или выше частоты радиоканала на 465 кГц. Частотную характеристику ПЧ-тракта формируют контур L5C9 и пьезофильтр ZQ2. Микросхема DA2 выполняет функции усилителя промежуточной частоты (УПЧ), частотного детектора (L6C12 - его опорный контур) и предварительного усилителя звуковой частоты (УЗЧ).
Основной УЗЧ выполнен на операционном усилителе DA3 с симметричным эмиттерным повторителем (транзисторы VT3, VT4) на выходе. Включение-выключение УЗЧ зависит от Iупр - тока в резисторе R20: УЗЧ выключен, если lупр=0. На операционном усилителе DA4, работающем в режиме фильтра высших звуковых частот (ВЗЧ-фильтр), и транзисторе VT5 (электронный ключ) выполнен шумоподавитель, включающий УЗЧ лишь при появлении в канале корреспондента, подавляющего своей несущей высокочастотные шумы свободного канала.
Приемник смонтирован на печатной плате 55х88 мм (рис. 8), изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольга со стороны деталей используется лишь в качестве нулевого провода и экрана: в местах пропуска проводников в ней вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм (на рис. 8 не показаны), а места пайки к ней «заземляемых» выводов конденсаторов, резисторов и др. показаны зачерненными квадратами.
Катушки L2 и L3 - по 18 витков провода ПЭВ-2 0,33 - наматывают в ряд на каркасах диаметром 5 мм, имеющих отверстия с резьбой МЗ под карбонильный сердечник. Катушки связи L1 и L4 по 3 витка провода ПЭВШО 0,27 - наматывают поверх контурных катушек у «холодных» (по в/ч) их концов. Эти катушки монтируют на плате так, как показано на рис. 9.
Рис. 7. Принципиальная схема экономичного Си-Би радиоприемника
Рис. 8. Печатная плата радиоприемника
Катушки L5 и L6 наматывают в чашках от радиоприемника «Селга». Они содержат по 135 витков провода ПЭВШО 0,1 (отвод в L5 - от 45 витка, считая сверху). Чашки склеивают клеем БФ-2, а затем приклеивают к печатной плате так, как показано на рис.10.
Рис. 9. Монтаж на плате катушки ВЧ контура
Контуры L5C9 и L6C12 ПЧ- тракта настраивают карбонильными сердечниками М3х12, для которых в печатной плате имеются отверстия с соответствующей резьбой.
Все постоянные резисторы приемника - типа МЛТ-0,125, подстроечный R24 - СПЗ-38а. Конденсаторы: С14 - К50-30;
С21, С27 - К50-35; С16 - К53-18В; СЗ, С4, С6-С8, C11, C13, СЗО - КД-1; С9, С12 - KM, K10-176 (группы М750). Переключатель «прием-передача» SA1 - типа ПКн61.
Элементы управления радиоприемником: R14 - громкость, R27 - порог шумоподавителя, SA1 - прием «местный-дальний», SA2 - выключатель шумоподавителя.
Регулировки: R24 - усиление (добротность) ВЗЧ-фильтра, R18 - усиление УЗЧ (Кu =R18/R17), R4 - усиление УРЧ в режиме местного приема.
В настройке приемника нет каких-либо особенностей. Сначала настраивают его ПЧ-контуры по генератору, выставленному на частоту 465 кГц (слабо связывая его с контуром L5C9; контроль по сигналу на выв. 13 микросхемы DA2); затем - контуры L2C3 и L3C4 по генератору, выставленному на fк - частоту радиоканала. Настройку контура частотного детектора L6C12 корректируют по эфиру, прослушивая при выключенном ШП (SA2 замкнут) работающие в этом канале ЧМ-станции.
Рис. 10. Монтаж на плате ПЧ контура
Включив ШП, выставляют усиление ВЗЧ-фильтра по шумам свободного канала, для чего движок резистора R27 ставят примерно в среднее положение и, перемещая движок резистора R24, находят такую его позицию, в которой происходит переключение УЗЧ.
На этом настройку шумоподавителя заканчивают. Остается лишь убедиться в том, что включением-выключением УЗЧ можно управлять с помощью резистора R27, а выключив им УЗЧ (без большого запаса), и в том, что при появлении в канале корреспондента УЗЧ включится самостоятельно.
Чувствительность приемника не хуже 2 мкВ. Он сохраняет свою работоспособность при снижении напряжения питания до 4В.
Рис.11. Коммутация источника питания
На рис. 11 показана возможная коммутация питающей батареи, позволяющая использовать в паре с таким приемником передатчик, рассчитанный на* питание от 10...12-вольтного источника. Заметим, что в этом случае будет обеспечена работа станции в режиме дежурного приема в течение 400...700 часов. А при использовании аккумуляторов емкостью 1,2 А*ч - и того более.
Радиостанции такого рода имеют свою область применения. Это связь в дальних турпоходах, в профессиональных и самодеятельных экспедициях, при охране отдаленных сельхозугодий, на охоте и т.п. Там, одним словом, где портативная радиостанция из городской игрушки, лишь дополняющей квартирный телефон (именно в городе нужны ее много канальность, высокая избирательность, динамический диапазон и не нужна сколько-нибудь значительная автономность), становится единственным средством связи, позволяющим группе людей сохранять между собой контакт, максимально быстро оказать нуждающемуся помощь.
Небезразлично, конечно, и то, что стоимость такой станции окажется значительно ниже цены самой посредственной заграничной «многоканалки». Во всяком случае - для радиолюбителя-конструктора.
Усилитель мощности для одноканальной
1. 3 Усилитель мощности для одноканальной «портативки»
Появившиеся в последние годы региональные службы спасения с их круглосуточно работающими в эфире операторами выполняют работу, важность которой трудно переоценить: жители отдаленных поселков и деревень, не имевших никакой связи со своими «центрами», могут теперь обратиться за неотложной медицинской помощью, вызвать милицию, пожарных и т.п.
Однако вряд ли этой далеко не самой богатой категории наших граждан можно рекомендовать многоканальные Си-Би радиостанции зарубежного производства. И не только потому, что они всетаки дороги. Хуже другое. Велика и все увеличивается ежегодная плата, которую нынешние «хозяева эфира» требуют с каждого покупающего Си-Би радиостанцию (годичная «аренда эфира», установленная ими, может превышать стоимость самой радиостанции). Даже если она будет работать лишь раз в году. Или ни разу. Эту плату назначат, исходя лишь из потенциальных возможностей купленного радиоаппарата, прежде всего - числа имеющихся в нем рабочих каналов. Так что ежегодная оплата многоканальной радиостанции зарубежного производства (других «там» давно не делают) может оказаться в 5...10 раз выше минимально возможной.
Хотя подобные поборы достаточно аморальны и сами по себе (продажа присвоенного, причем - в первозданном виде), желание «делать деньги» на людских бедах (сами службы спасения не берут за свою работу ничего) вызывает особое возмущение...
После того, как гражданам нашей страны было разрешено, наконец, работать в гражданском диапазоне, отечественная промышленность начала выпуск портативных одноканальных маломощных Си-Би радиостанций типа «Урал-Р», «Ласпи» и т.п. Имея такую станцию, уже можно связаться со службой спасения*, но, к сожалению, лишь находясь почти рядом с ней. Большого смысла эта связь, конечно, не имеет. Однако «дальнобойность» такой станции может быть увеличена до 30...40 км, если дополнить ее 10-ваттным усилителем мощности**, а штатную антенну заменить стационарной***.
Принципиальная схема усилителя для маломощной Си-Би радиостанции приведена на рис. 12.
Уровень сигнала, поступающего на предварительный усилитель (транзистор VT2 и др.), выставляют подстроечным резистором R3. То или иное его положение будет зависеть от выходной мощности «портативки». Усиленный сигнал снимается с емкостного делителя, входящего в колебательный контур L1C6C7, автотрансформаторно включенного в коллектор транзистора VT2.
Рис. 12. Усилитель мощности к одноканальной «портативке»
Усилитель мощности выполнен на транзисторе VT3. Его выход согласуется с антенной нагрузкой Rа=50Ом двухсекционным П-контуром C8C9L5C10C11L6C12, ослабляющим внеполосное излучение.
Оба транзистора работают без начального смещения (в классе С), поэтому ток, потребляемый от источника питания невозбужденным усилителем, близок к нулю.
Усилитель включается в работу автоматически: при появлении на его входе сигнала от включенной на передачу «портативки» на выходе детектора, выполненного на элементах VD1, VD2, С1 и С2, возникает напряжение, а в базе нормально запертого транзистора VT1 - ток, открывающий его до насыщения. И реле К1, обмотка которого включена в цепь коллектора VT1 (ее полезно зашунтировать демпфирующим диодом), подключит к выходу «портативки» вход усилителя мощности.
В режиме приема реле К1 будет, очевидно, обесточено и его контактная «тройка» К 1.1 останется в показанном на рис. 12 положении, обеспечивая прием сигнала корреспондента.
Элементы усилителя, исключая транзистор VT3, монтируют на печатной плате, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Смонтированную плату устанавливают на металлическую пластину-теплоотвод (размер по плате, материал - дюралюминий толщиной 3 мм), к которой крепят, промазав место соединения теплопроводящей пастой, и транзистор VT3. Контурную катушку L1 наматывают на каркасе диаметром 5 мм, имеющим отверстие с резьбой МЗ под карбонильный сердечник. Она содержит 11 витков, намотанных в ряд проводом ПЭВ-2 0,62. Отвод - от 4,5-го витка (считая от верхнего, «холодного» конца катушки L1).
Катушки L5 и L6 - бескаркасные. Их наматывают проводом ПЭВ-2 0,82 на болванке диаметром 6 мм. В каждой катушке по 7 витков. Их растягивают так, чтобы длина катушки оказалась равной примерно 11 мм. На плате катушки L5 и L6 размещают так, чтобы их индуктивная связь была минимальной.
Другие детали усилителя. Дроссели: L4 - типа ДПМ2-2.4; L2 и L3- ДМО,4. Резисторы: R3 - СПЗ-386; Rl, R2, R4-R6 - МЛТО,125. Конденсаторы: С4 - любой оксидный, СЗ, С5 и С7 - КМ-6 или К10-176; С2 - КД; остальные КД, KM, KCO-1 и др., имеющие малый ТКЕ, малые потери на высоких частотах и рабочее напряжение не менее 50 В. Реле К1 - РЭС-55А (на 12 В, например, РС4.569.600-06).
Колебательные контуры усилителя настраивают на рабочую частоту радиостанции. К антенному выходу усилителя подключают 50-омный антенный эквивалент (четыре параллельно включенных 200-омных резисторов типа МЛТ-2) и головку высокочастотного вольтметра (см. ее описание в этой книге).
Настройку контуров (L1C6C7 настраивают, перемещая подстроечник в катушке L1, a L4L5L6C8-C12 - сдвигая-раздвигая витки в катушках L5 и L6) ведут по максимуму показаний ВЧ вольтметра. Мощность, развиваемая усилителем на нагрузке Rа: Pвых=U^2/Rа, где Рвых - в ваттах, U - в вольтах (эффективное значение) и Rа- в омах. Соответственно напряжение, создаваемое 10-ваттным усилителем на 50-омной нагрузке, должно быть: U=ЦPвых*Rа = 22,4 В. Если оно меньше и не может быть увеличено регулировкой R3, уменьшают сопротивление резистора R5.
Усилитель может питаться от любого 12-вольтного источника, способного отдать ток 2...2,5 А. Это может быть даже старый, потерявший значительную часть своей емкости автомобильный аккумулятор. В этом случае радиостанция будет независима от энергоснабжения поселка, отсутствие которого, кстати, уже само по себе может быть причиной обращения к службе спасения.
*) Если ее частотный канал совпадает с радиоканалом местной службы спасения. Перестроить такую радиостанцию на работу в другом канале нетрудно - нужно лишь заменить в ней кварцевые резонаторы задающего генератора и гетеродина.
**) Максимальная мощность радиопередатчика, разрешенная сегодня Госсвязьнадзором для работы в Си-Би, - 10 Вт (в охранных системах - 2 Вт).
***) Годится, например, описанная в этой книге «Простая Си-Би антенна».
Би антенны показана на рис.
1.4 Простая Си-Би антенна
Рис.13. «Оконная» Си-Би антенна
Конструкция простой и эффективной в работе Си- Би антенны показана на рис. 13. Здесь: 1 -несущая антенны - раздвижное (телескопическое) стеклопластиковое удилище длиной 6...8 м; 2 - подпятник; 3 - оттяжки (лучше - жесткие), фиксирующие антенну в нужном положении; 4 - вибратор антенны - провод МГВ или МГШВ сечением 0,5...1,5 мм^2 и длиной ~5,37 м, прикрепленный изолентой к концу каждого сегмента удилища 1; 5 - согласующее устройство во влагозащитном чехле; 6 - фидер - 50-омный коаксиальный кабель; 7 - 5...10 ферритовых колец (m=50...2000), над винутых на коаксиальный кабель.
Принципиальная схема П-контура, согласующего высокое входное сопротивление антенны (она возбуждается в пучности напряжения) с 50-омным фидером, приведена на рис. 14, а. Катушка L1 - бескаркасная. Ее 9 витков наматывают проводом ПЭВ-2 1,6 на болванке диаметром 8 мм и растягивают до 19 мм. Конденсаторы П-контура - любые высокочастотные (с малыми потерями на частотах Си-Би), имеющие достаточно высокое рабочее напряжение. Последнее относится прежде всего к конденсатору С1*. Его рабочее напряжение Uс1і12(C2/C1)ЦPвых , где Рвых мощность передатчика в ваттах, а Uс1 - в вольтах. Так, при Рвых= 4 Вт Uс1і100В, при Рвых= 10 Вт - Uс1і160B, а при Pвых=100Bт- Uс1і500 В. И если для 4...10-ваттного передатчика в качестве С1 в П-контуре годился бы, например, конденсатор типа KCO-1 (250 В), то для 100-ваттного - КСО-2 (500 В) или еще более высоковольтный.
Катушку и конденсаторы П-контура распаивают на односторонней печатной плате, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис. 14, б). Собранную плату с припаянным к ней концом вибратора вводят в склеенный из ударопрочного полистирола бокс-чехол без «дна» (рис. 14, в), защищающий ее от дождя и снега.
Фидером антенны служит 50-омный коаксиальный кабель. При длине 10...15 метров он может быть довольно тонким. Так, в кабеле РК50-2-16 (его внешний диаметр 3,5 мм) потери на частотах Си-Би не выйдут из пренебрежимо малых 1...1,5 дб.
Экономия в весе антенно- фидерной системы может быть важной, например, в пеших экспедициях.
Длину кабеля рекомендуется взять кратной l/2Цe , где l длина волны, соответствующая середине диапазона рабочих частот, а e- диэлектрическая проницаемость диэлектрика коаксиального кабеля (для полиэтилена Цe=1,52). То есть, его длина может быть равна 3,6; 7,2; 10,8 и т.д. метров. При таких длинах кабель может иметь даже другое волновое сопротивление.
Антенну настраивают обычным образом. Включив КСВ-метр между фидером и радиостанцией, работающей на передачу в середине диапазона рабочих частот, и сдвигая-раздвигая витки в катушке П-контура (бокс-чехол сдвинут на вибратор), стараются получить КСВ=1. Если сделать это не удается, ищут частоту (для этого нужно иметь многосеточную станцию), на которой это получается. Если частота, соответствующая КСВ=1, оказалась ниже
Рис. 14. Согласующий П-контур: а - схема П-конгура; б - печатная плата; в - бокс-чехол
середины диапазона рабочих частот, вибратор укорачивают, если выше - удлиняют. Величину удлинения-укорочения М вычисляют по расстройке антенны: расстройке Df =100кГц соответствует Dl=2,5 см.
Как показал опыт, полоса рабочих частот антенны 300...400 кГц (по КСВ <1,5).
Рис. 15. «Глобус», расширяющий полосу рабочих частот антенны
Антенну можно дополнить проволочным «глобусом» (рис. 15), изготовленным из двух 43-сантиметровых отрезков стального тросика** сечением 0,8 мм2. Их предварительно залуженные с хорошим флюсом концы распаивают в крестообразном разрезе штепсельного гнезда от разъема типа ШР. С другой стороны в гнездо впаивают конец вибратора, укороченного на 5...10 см (нужное его укорочение уточняют при настройке антенны).
Припаянный к вибратору «глобус» крепят к самому кончику удилища изолентой. Легкость и малая его парусность делают такое крепление вполне достаточным.
Антенна с проволочным «глобусом» на конце вибратора имеет заметно большую полосу пропускания и меньшую зависимость КСВ от рабочей частоты.
В городских условиях антенну можно установить непосредственно за окном своей квартиры так, как показано на рис. 16 (антенна выводится из поля зрения верхних окон).
Угол между стеной и удилищем должен быть в пределах 20...30°. Антенну лучше ставить на окне, обращенном в сторону наиболее интересных корреспондентов.
Конечно, на диаграмму направленности таким образом установленной антенны будет влиять металлическая арматура стены, экранирующее и поглощающее воздействие всего здания. Но, как показывает опыт, отличие ее от круговой в значительной мере компенсируется теми же городскими условиями - переотражениями сигнала соседними зданиями. Хотя сама по себе асимметричная диаграмма направленности недостатком антенны, конечно, не является.
Рис. 16. Монтаж антенны на окне
На деревенском доме или на даче антенну можно поставить строго вертикально. Вставив, например, ручку удилища в специальное гнездо у чердачного окна. Удилище с заранее закрепленными на его секциях вибратором и антенным боксом раздвигают в процессе установки.
Можно рекомендовать и другой способ. Ручку полностью развернутого удилища-антенны крепят двумя хомутами на тонком конце 5...6-метрового шеста. Поблизости от дома в земле делают цилиндрическую, по диаметру толстой части шеста, выемку глубиной 10...15 см и, вставив в нее шест, поднимают всю конструкцию (ее вес - 5...6 кг) в вертикальное положение. В верхней части шест крепят к какой-либо выступающей части дома: привязывают к карнизу крыши, к стропилам и т.п. В таком варианте антенна может быть установлена и вне каких-либо строений, потребуется лишь какое-то иное подкрепление ее шеста-мачты.
Антенну не потребуется приподнимать, если она будет смонтирована на раздвижном стеклопластиковом удилище длиной 11...12 м. Для фиксации такой антенны в вертикальном положении достаточно прикрепить ее, например, к стойке экспедиционной палатки или к забитому в землю дюралюминиевому уголку.
Если антенну развертывают на опушке леса, то здесь, как правило, удается воспользоваться подходящим деревом. Через его сук, находящийся на высоте 11...12 м, перебрасывают*** нейлоновую леску, которой и подтягивают к нему всю антенную систему - вибратор с висящим на нем боксом П-контура и частью фидера.
Нужно лишь оставить между самим деревом и верхом вибратора (имеющего в этой точке пучность напряжения) 10...15-сантиметровый отрезок лески в качестве высокочастотного изолятора.
Высота 11...12 м (~l), которая рекомендовалась для этой антенны во всех ее вариантах, выбрана не случайно. При такой высоте подвеса
вертикального полуволнового вибратора над проводящей поверхностью его излучение под малыми углами к горизонту, нужное для связи с корреспондентом «земной» волной, достигает максимума (минимальными становятся потери на излучение под другими углами). Но это верно лишь для расстояний между корреспондентами r, не превышающих rmax@ 4(Цh1+Цh2), где rmax- максимальное расстояние «радиовидимости» - в км, а h1, и h2- высоты антенн корреспондентов - в м. Если же r і rmax, то антенну устанавливают по rmax, так как высота подвеса антенны будет играть здесь большую роль, нежели лучшая «прижатость» лепестка ее излучения к горизонту.
Если по условиям связи нет необходимости держать антенну на улице постоянно, привлекая к ней нежелательное, возможно, внимание, то среди полноразмерных описанная антенна не имеет, пожалуй, равных: ее монтаж-демонтаж занимает менее минуты.
Как показали длительные испытания (с радиостанциями Yosan-2204, Dragoit SY-101 и др. без каких-либо усилителей), антенна, как в городском, так и в сельском ее вариантах, позволяла держать уверенную связь «земной» волной на расстояниях до 30...40 км и более. А на «проходе» - со всеми районами европейской части России, Украиной и Белоруссией.
*) На более высоких частотах критерием в выборе конденсаторов для антенного контура становятся их реактивная мощность и тангенс угла потерь.
**) Такой тросик используют для декоративной обивки «мягких» дверей.
***) Например, с помощью рогатки; снарядом может быть 20...30-граммовое рыболовное грузило, прикрепленное к концу лески.
приведена принципиальная схема генератора,
1.5 Генератор для настройки ПЧ-тракта радиоприемника
На рис. 17 приведена принципиальная схема генератора, который может быть использован для настройки тракта промежуточной частоты в радиоприемниках самого разного назначения. Частота выходного сигнала генератора - f пч=465 кГц* - задается кварцевым резонатором ZQ1, а его амплитуда - не менее 2 В - зависит от напряжения источника питания Uпит .
Все резисторы в генераторе - типа МЛТ-0,125, конденсаторы КМ-6 или им подобные. Транзистор VT1 - практически любой n-p-n, имеющий коэффициент усиления по току не менее 100 и гра ничную частоту не менее 100 МГц.
Рис. 17. Генератор для настройки ПЧ тракта радиоприемника
Генератор не требует наладки. Для сохранения хорошей формы сигнала при Uпиті10 В потребуется, возможно, лишь несколько
увеличить емкость конденсатора С2 (до 6200....6800 пФ).
При такой амплитуде выходного сигнала генератор к радио-приемнику можно и не подключать - достаточно лишь их сблизить. Но уровень выходного сигнала можно уменьшить, привести его к нужному. Так, например, как это показано на рис. 18. Но в этом случае сам генератор потребуется поместить в экран (штриховой линией показан его фрагмент), иначе наводки «по воздуху» не позволят получить на его выходе сигнал достаточно малого уровня. При хорошей экранировке всех цепей резисторный делитель можно сделать ступенчатым (рис. 19), сигнал на выходе которого может быть снижен, при необходимости, и до долей микровольта. Расчет таких делителей описан в [1].
Рис. 18. Простой делитель выходного напряжения
Рис. 19. Ступенчатый делитель выходного напряжения
*) Несущая ПЧ-тракта fпч=465 кГц - отечественный стандарт. В зарубежной связной технике чаще fпч=455 кГц. Для настройки такой аппаратуры в генераторе потребуется сменить лишь кварцевый резонатор.
Сетевой блок питания для
1. 6 Сетевой блок питания для Си-Би радиостанции
Си-Би радиостанции, появившиеся на нашем рынке, рассчитаны, как правило, на питание от 10...12-вольтных аккумуляторов. Ток, потребляемый такой станцией в режиме приема, составляет 0,02...0,3 А*, а в режиме передачи (при Рвых= 4 Вт) - 1...1,5А. На рис. 20 приведена принципиальная схема стабилизированного выпрямителя, позволяющего питать такую радиостанцию от сети переменного тока.
Теплоотвод транзистора VT1 выполнен в виде поставленной «на ребро» дюралюминиевой пластины размером 63х23х5 мм. Для лучшего теплового контакта под транзистор рекомендуется ввести теплопроводящую пасту, например, КПТ-8. Остальные элементы выпрямителя монтируют на печатной плате размером 67х40 мм. Диоды VD1-VD4 также ставят «на ребро».
Смонтированную плату устанавливают вертикально и так, чтобы теплоотвод транзистора VT1 и диоды VD1...VD4 хорошо обдувались восходящим потоком воздуха.
Источником переменного напряжения 12,6 В (это значение, заметим, из ряда номинальных) может служить трансформатор мощностью не менее 30 Вт, например, ТН36, ТН46 и др. Трансформаторы типа ТН имеют две, три или четыре 6,3-вольтные обмотки, допускающие как последовательное, так и параллельное их соединение. Возможная коммутация четырехобмоточного трансформатора этого типа, рассчитанного на питание от сети 127/220 В, показана на рис. 21.
Рис. 20. Принципиальная схема сетевого блока питания
Основные параметры сетевого блока:
Выходное напряжение Uн...................................................................... 8...14 В;
Максимальный ток нагрузки Iн max...................................................... 1,5 А;
Напряжение пульсации DUн................................................................. <10 мВ;
Выходное сопротивление Rвых.............................................................. 0,04...0,07 Ом.
Питание стабилизированного выпрямителя такой конфигурации от источника переменного напряжения 12,6 В позволяет обойтись без какой-либо защиты радиостанции по цепям питания.
Даже при пробое проходного транзистора VT1 напряжение на радиостанции не поднимется выше 15...16 В (на передаче она даже не выйдет из рабочего режима, в сигнале появится лишь фон переменного тока). А при коротком замыкании в цепи нагрузки отдаваемый стабилизатором ток самостоятельно уменьшится почти до нуля, поскольку транзистор VT1 в этом режиме будет закрыт.
Блок может быть использован для питания радиостанции, потребляющей в режиме передачи и значительно больший ток. Но лучше в таком случае использовать в качестве VT1 транзистор КТ825Д (Iк max=20 A, h21э=750...18000). С увеличением Iн потребуется соответственно увеличить и емкость конденсатора С1. В противном случае напряжение пульсации на нем -
DUвыпр@6*10^3 Iн / C1
(DUвыпр - в вольтах, Iн - в амперах, С1 - в микрофарадах) окажется чрезмерным, периодически выводящим транзистор VT1 из режима стабилизации. В показанной на рис. 22 эпюре напряжений Uкэ@1,5 В - минимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1, при котором он еще сохраняет свои функции.
Рис. 21. Коммутация трансформатора типа ТН
При значительном увеличении тока нагрузки потребуется соответственно увеличить площадь теплоотвода под транзистором VT1 и, конечно, использовать более мощный понижающий трансформатор, например, ТН10 (ток нагрузки до 6 А), ТН11 (7,8 А или 8,7 А в зависимости от типа сердечника), ряд других. Потребуется, возможно, заменить кремниевые диоды VD1-VD4 с их довольно большим прямым падением напряжения Uпр =1...1,2 В на германиевые Д303 (ток до 3 А), Д304 (5 А) или Д305 (10 А), в которых Uпр=0,25...0,3 В, или на кремниевые с барьером Шотки 2Д2998Б(В), 2Д219Г и др., имеющие Uпр@0,4 В.
Рис. 22. Эпюры напряжений
*) 0,02...0,07 А - в портативных радиостанциях, 0,2...0,3 А - в автомобильных.
Простой индикатор антенного тока
1. 7 Простой индикатор антенного тока
Поскольку при настройке и согласовании элементов антенно-фидерного тракта нередко важнее заметить рост или спад контролируемой величины, достижение ею максимума или минимума, то нет нужды и оцифровывать ее, ставить в соответствие ей какие-то общепринятые единицы. Такие «безразмерные измерения» - функции индикаторов.
Схема индикатора, пригодного для контроля токов с частотой 25...30 МГц, показана на рис. 23.
Здесь Т1 - высокочастотный трансформатор, первичной «обмоткой» которого служит продетый сквозь его кольцевой сердечник
(М50 ВЧ2-14 К12х6х4,5 мм) провод с ВЧ током, а вторичной равномерно распределенные по сердечнику 20 витков провода в пластиковой изоляции. На элементах VD1 и С1 собран детектор, резисторы Rl, R2 и РА1 составляют его нагрузку. Стрелочный прибор РА1 - оцифрованный или «слепой» микроамперметр с током полного отклонения 50... 150 мкА.
Индикатор рассчитан на включение в антенно-фидерный тракт передатчика мощностью до 10Вт (при R1=R2=1...10 кОм).
Рис. 23. Индикатор антенного тока
При больших мощностях сечение сердечника трансформатора потребуется увеличить (для 100-ваттного передатчика - до 0,5...1 см^2; в этом случае потребу- ется увеличить сопротивление резисторов и, возможно, уменьшить число витков в обмотке II трансформатора).
Сердечник большого размера (с большим внутренним диаметром) может потребоваться и для контроля тока в «толстой» антенне, например, в телескопической или спиральной антенне портативной радиостанции.
Индикатор может быть выполнен в виде единого блока. Но нередко удобнее работать с прибором, состоящим из двух частей: «висящей» на антенном проводе детекторной головки, связанной двухпроводной линией с микроамперметром. Во избежание возможного влияния линии связи на конфигурацию электромагнитного поля антенны ее можно выполнить из тонкого провода высокого сопротивления или расставить в ней 100...200-омные резисторы, «разрывающие» ее по ВЧ на нерезонирующие фрагменты.
Индикаторную головку размещают обычно в пучности тока антенны. Это не только делает отведение более чувствительным, но и минимизирует его влияние на антенну.
Если антенный ток остается достаточно большим, германиевый диод можно заменить кремниевым - КД510А, КД522Б и т.п.
Ее принципиальная схема показана на
1.8 Высокочастотная головка к цифровому мультиметру
Ее принципиальная схема показана на рис. 24. Если высокочастотное напряжение Uэфф (эффективное значение) на входе головки превышает 1,5...2 В, то на шкале мультиметра, выставленного в режим измерения постоянного напряжения и имеющего в этом режиме входное сопротивление 1 МОм, будет показана величина Uэфф. Верхний предел измеряемого напряжения ограничен здесь лишь допустимым для диодов головки обратным напряжением Uобрі1,5Uэфф. Верхняя частотная граница головки - не менее 30 МГц.
Рис. 24. ВЧ головка к мультиметру
метр позволяет выполнить обычную со
1.9 О коррекции S-метра в Си-Би радиостанции
Встроенный в радиостанцию S- метр позволяет выполнить обычную со стороны корреспондента просьбу: оценить его сигнал в баллах S-шкалы. Соответствующие ей уровни высокочастотного напряжения на 50-омном антенном входе принимающей радиостанции приведены в таблице 3.
К сожалению, в связной аппаратуре, поступающей к нам из-за рубежа, S-метры остаются, как правило, «сырыми», не выставленными.
Хотя привести показания S-метра к норме несложно* (в станциях есть для этого специальный регулировочный резистор), но сделать это можно лишь при наличии высокочастотного генератора, имеющего хороший аттенюатор. Такой техникой радиолюбитель, как правило, не располагает.
На рис. 25 показана принципиальная схема генератора, пользуясь которым можно проверить, а при необходимости - откорректировать показания S-метра своей радиостанции в домашних условиях.
Частота генератора (VT1 и др.) задается кварцевым резонатором ZQ1. Она должна быть, конечно, в диапазоне рабочих частот станции. Лучше - в его середине.
Напряжение высокой частоты на эмиттере транзистора VT1 зависит от напряжения питания генератора, которое можно изменять подстроечным резистором R3.
Резисторы R4...R12 представляют собой аттенюатор - нормированный ослабитель высокочастотного сигнала, снижающий Uвх=0,85 В уровень сигнала на своем входе — до Uвых=25 мкВ - уровня сигнала на выходе (с подключенной к нему 50-омной нагрузкой - входным сопротивлением радиостанции).
Таблица 3
| S, баллы | Uвх,мкв |
| 9+60 дб | 50000 |
| 9+50 дб | 15800 |
| 9+40 дб | 5000 |
| 9+30 дб | 1580 |
| 9+20 дб | 500 |
| 9+10 дб | 158 |
| 9 | 50 |
| 8 | 25 |
| 7 | 12 |
| 6 | 6,0 |
| 5 | 3,0 |
| 4 | 1,5 |
| 3 | 0,8 |
| 2 | 0,4 |
| 1 | 0,2 |
Рис. 25. Принципиальная схема калибратора S-метра
Таким образом, подключив к антенному входу станции такой генератор, мы подадим на нее 8-балльный сигнал и нам останется лишь выставить эти 8 баллов на шкале ее S-метра. В радиостанции Yosan 2204, например, это делают регулировкой подстроечного резистора VR602.
Если радиолюбитель не располагает высокочастотным вольтметром, позволяющим выставить нужное напряжение на входе аттенюатора, то такой вольтметр нетрудно сделать. Его принципиальная схема показана на том же рис. 25 (элементы С2, VD1, VD2, С5, R13, VT2, R14, R15 и PV1). PV1 - обычный цифровой или стрелочный вольтметр, имеющий входное сопротивление не менее 100 кОм. На его шкале «=U» регулировкой R3 и выставляют нужные 0,85 В.
На рис. 26 показана печатная плата генератора с ВЧ вольтметром, изготовленная из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве экрана и нулевого провода (к ней подключен «-» источника питания). Для пропуска выводов деталей в ней травлением или зенковкой делают кольцеобразные выборки. Места соединения с нульфольгой «заземляемых» выводов показаны черными квадратами.
Все резисторы в калибраторе - МЛТ 0,125 или им подобные тойже мощности (С2-23, ОМЛТ и др.). Использовать в аттенюаторе R4...R12 проволочные резисторы (вообще - резисторы с проводящим слоем в виде спирали) нельзя: их индуктивность внесет в делитель неконтролируемую составляющую. Нужные сопротивления для аттенюатора подбирают с помощью цифрового омметра.
Рис. 26. Печатная плата калибратора
Установка случайных резисторов, лишь номинально имеющих нужное сопротивление, может привести к тому, что ослабление аттенюатора будет отличаться от расчетного на 30...40% и более.
Аттенюатор отделяют от других элементов генератора экраном жестяной выгородкой или коробкой высотой 7...8 мм, припаянной к нуль-фольге. На рис. 26 его положение на плате показано штриховой линией.
Конденсаторы СЗ и С4 здесь - типа КД, С1, С2 и С5 - КМ-6.
Кварцевый резонатор ZQ1 должен работать на основной частоте (в таких резонаторах частоту указывают в кГц, а не в МГц, как в возбуждаемых на гармонике основной). Во избежание возможного срыва колебаний корпус резонатора лучше ни с чем не соединять.
Смонтированную плату нужно поместить в металлическую коробку подходящих размеров; годится, например, жестяная коробка из-под бульонных кубиков.
Рис. 27. К расчету аттенюатора
Генератор подключают к антенному входу радиостанции коротким коаксиальным кабелем с соответствующим разъемом на конце.
Конечно, уровень сигнала на выходе калибратора может быть и другим. Но для этого в его аттенюатор потребуется внести изменения.
Таблица 4
| Ослабление | Ra, Ом | Rb, Ом | |
| в дб | в «разах» | ||
| 1 | 1,122 | 2,9 | 433,9 |
| 2 | 1,259 | 5,7 | 215,2 |
| 3 | 1,413 | 8.5 | 132,0 |
| 4 | 1,585 | 11,3 | 104,8 |
| 5 | 1,778 | 14,0 | 82,2 |
| 6 | 1,995 | 16,6 | 66,9 |
| 7 | 2.239 | 19,0 | 55,8 |
| 8 | 2,512 | 21,5 | 47,3 |
| 9 | 2,818 | 23,8 | 40,6 |
| 10 | 3,162 | 26,0 | 35,0 |
| 11 | 3,548 | 28,0 | 30,6 |
| 12 | 3,981 | 30,0 | 26,8 |
| 13 | 4.468 | 31,7 | 23,5 |
| 14 | 5,012 | 33,3 | 20,8 |
| 15 | 5,622 | 35,0 | 18,4 |
| 16 | 6,308 | 36,3 | 16.2 |
| 17 | 7,080 | 37,6 | 14,4 |
| 18 | 7,943 | 38,8 | 12,8 |
| 19 | 8,911 | 40,0 | 11.4 |
| 20 | 10,000 | 41,0 | 10,0 |
Представим тот же аттенюатор в другом виде (рис. 27, а). В нем легко просматриваются четыре Т-секции. Первая, несимметричная, составлена из резисторов R4, R5 и R6. Имея 50-омную нагрузку на выходе (входное сопротивление следующей секции), она понизит Uвх=0,85 В - уровень сигнала на своем входе — до 25 мВ на этой нагрузке. Следующие три секции симметричны и одинаковы: каждая из них имеет Rвх=Rвых=50 Ом и с 50-омной нагрузкой на выходе вносит в общее ослабление свои 20 дб (см. рис. 27, б и таблицу 4).
Любая из этих трех секций может быть перестроена на какое-то другое ослабление. Потребуется лишь в соответствии с таблицей 4 заменить в ней Ra и Rb. Поскольку входное-выходное сопротивление секции при этом остается неизменным (это те же 50 Ом) появление новых Ra и Rb никак, очевидно, не скажется на ослаблениях, вносимых другими секциями аттенюатора. Т.е., так или иначе изменив ослабление в секции, мы точно также, на эту же самую величину изменим ослабление и всего аттенюатора.
Так, уменьшив вдвое ослабление лишь последней секции аттенюатора (с 20 до 14 дб), установив в ней в соответствии с таблицей 4:
R10= R12=33,3 Ом и R11=20,8 Ом, мы поднимем тем самым уровень сигнала на входе радиостанции до 50 мкВ, т.е.
до 9 баллов.
После внесения в секции тех или иных изменений можно вернуться к прежней структуре аттенюатора. Нужно лишь просуммировать номиналы последовательно включенных резисторов, заменив их одним. Так калибратор, показанный на рис. 25, станет 9-балльным, если в нем изменить номиналы трех резисторов, установив R10=74,3 Ом (41+33,3), R11=20,8 Ом и R12=33,3 Ом. Без сделанного выше топологического преобразования все это пришлось бы принять на веру.
Довольно высокое напряжение на выходе калибратора - 25 или 50 мкВ - выбрано здесь потому, что по мере его снижения, в попыт ках, например, проверить показания S-метра в середине S-шкалы или даже в ее начале, все более и более важной становится экранировка всех элементов калибратора, даже отдельных секций его аттенюатора. Могут сказаться здесь и внешние наводки на станцию (собственная экранировка многих из них далека от идеала); во всяком случае эти наводки должны быть на 2...3 балла слабее сигнала, поступающего с калибратора.
Отметим в заключение, что хотя описанный калибратор предназначен для коррекции показаний уже имеющегося в радиостанции S-метра, он может быть полезен и в градуировке самодельных S-метров. Нужно лишь дополнить его аттенюатором с переменным ослаблением сигнала (см. Радио, №11, 1997, с. 80), приняв, конечно, меры к тщательной экранировке всего этого тракта.
*) Если шкала S-метра лишь смещена. Но встречаются S-метры, показания которых удается совместить с таблицей 3 лишь в отдельных позициях. Это конструктивный дефект. В современных радиостанциях он, как правило, неустраним.
Радиолюбителю-конструктору. Практические схемы
2. Инфракрасная техника
С появлением быстродействующих инфракрасных излучателей, прежде всего - ИК диодов, быстро растет интерес к спектру электромагнитных колебаний, имеющих длину волны l=0,8.. .1,3 мкм. Важной особенностью ИК диода является то, что он способен сконцентрировать в короткой вспышке* мощность Римп, в сотни раз превышающую мощность непрерывного его излучения Рнепр. С соответствующим (в ЦРимп /Рнепр раз) увеличением его «дальнобойности».
ИК излучение может быть пространственно преобразованосжато в узкий пучок, сфокусировано, отражено, изогнуто и др. самыми обычными оптическими средствами - линзами, зеркалами, световодами. Важно и то, что в этом диапазоне электромагнитных излучений земная атмосфера сохраняет достаточно высокую прозрачность.
ИК - свободный диапазон. Работа в нем не требует от кого-то - разрешения, кому-то - оплаты и др. В отличие от СВЧ радиодиапазонов, имеющих тот же характер распространения волн, но уже поделенных между старыми и новыми «хозяевами».
Все это может оказаться существенным и при обычном, традиционном использовании электромагнитного излучения - для нужд связи, например, но особенно - в новых приложениях.
Владельцы современных телевизоров, видеомагнитофонов, кондиционеров и др. уже познакомились с инфракрасной техникой:
пульты дистанционного управления многими бытовыми аппаратами используют кодированное ИК излучение. Но это - лишь одно из его применений.
Устройство невидимого ИК барьера, пересечение которого будет зафиксировано охранной системой, показано на рис. 28. В него входит ИЗ - импульсный генератор-излучатель и ПР - фотоприемник, реагирующий лишь на его импульсы.
Рис. 28. ИК барьер
В ИК барьер может быть включено и «зеркало» - пассивный отражатель И К лучей.
Расстояние l, на которое можно разнести фотоприемник и излучатель, зависит от мощности ИК импульсов Римп : l=кЦРимп , где к - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности излучателя и реальной чувствительности фотоприемника, его способности выделять на фонепомех сигнал своего ИК излучателя.
Основа инфракрасной техники - импульсные ИК генераторы. Рассмотрим ряд практических их схем и конструкций, которые могут войти в охранную систему нужной конфигурации или быть использованы как-то иначе.
2.1. Простой ИК генератор
2.2. Экономичный ИК генератор
2.3. Приемники импульсного ИК излучения
2.4. ИК приемник на транзисторах
2.5. ИК приемник на микросхеме
2.6. Инфракрасная «визитная карточка»
2.7. ИК генератор «визитной карточки» с шифратором
2.8. ИК приемник «визитной карточки» с дешифратором
2.9. Инфракрасный «электронный пароль»
2.10. ИК генератор «электронного пароля» с шифратором
2.11. ИК приемник «электронного пароля» с дешифратором
2.12. ИК линия связи в охранной системе
2.13. Передатчик в ИК линии связи
2.14. Приемник в ИК линии связи
*) Длительность фронта tф и спада tсп ИК вспышки зависит от типа ИК диода. Обычно tф @ tсп=0,1...0,5 мкс. Но существуют ИК диоды, обладающие и значительно большим быстродействием, например, ЗЛ139В с tф @ tсп@0,003 мкс.
Принципиальная схема генератора приведена на
2.1. Простой ИК генератор
Принципиальная схема генератора приведена на рис. 29. На элементах DD1.1, DD1.2 собран мультивибратор, возбуждающийся на частоте F=30...35 Гц (F@1/2R2*C1). Дифференцирующая цепочка R3C2 и элементы DD1.4...DD1.6 формируют в базе нормально закрытого транзистора VT1 импульс тока длительностью tимп@ 10 мкс (tимп@R3*C2), возбуждающий включенный в его коллектор ИК диод VD1. В таблице 5 приведена зависимость амплитуды тока
Рис.29. Генератор ИК импульсов
Рис. 30. Печатная плата генератора
в ИК диоде Iимп и потребляемого генератором тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит.
Печатную плату генератора изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм (рис. 30). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевого провода-«земли». В местах пропуска проводников в ней должны быть вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны), места пайки к нуль-фольге «заземляемых» выводов конденсаторов, резисторов и др. показаны зачерненными квадратами.
В качестве примера на рис. 31 приведена зависимость относительной мощности излучения ИК диода АЛ402 от прямого импульсного тока Iпр.и. Почти линейная их связь и при столь значительном форсаже импульсных токов, которая вообще характерна для ИК диодов, позволяет ориентироваться при расчетах «дальнобойности» системы не на мощность излучения, а на легко контролируемый ток в ИК диоде.
Рис. 31. Зависимость относительной мощности излучения от прямого импульсного тока
Таблица 5
| Uпит,B | Iимп,A | Iпотр,мА |
| 4,5 | 0,24 | 0,40 |
| 5,0 | 0,43 | 0,57 |
| 6.0 | 0,56 | 0,96 |
| 7,0 | 0,73 | 1,50 |
| 8,0 | 0,88 | 2,10 |
| 9.0 | 1,00 | 2,80 |
Излучатель ИК датчика, реагирующего на
2.2. Экономичный ИК генератор
Излучатель ИК датчика, реагирующего на прерывание луча, нередко относят от фотоприемника на 10...20 м и более. Его размещение, удовлетворяющее требованиям охранной техники (скрытность позиции, защита от непогоды, намеренной порчи, блокировки и др.), существенно упростится, если он будет выполнен в виде автономно функционирующего блока. Важнейшим параметром такого излучателя будет, очевидно, его способность максимально эффективно использовать энергозапасы встроенного в него источника питания.
Принципиальная схема энергоэкономичного ИК генератора, формирующего достаточно мощные ИК импульсы, показана на рис. 32.
Режим его работы задан мультивибратором, выполненном на микросхеме DD1, в стоки транзисторов которой введены резисторы R1 и R3, многократно снижающие сквозные токи переходного режима. Частота мультивибратора - F@1/2·R2·C1@40 Гц. Длительность импульса тока, возбуждающего ИК диод BL1, зависит от параметров дифференцирующей цепочки R4C3: tимп@R4·C3@10 мкс. Формирователь DD2.3...DD2.6 преобразуют поступающий на его вход импульс с затянутым спадом в «прямоугольный», открывающий на это время до насыщения нормально закрытый транзистор VT1.
Напряжение питания микросхем зависит от номинала резистора R7, при возможных изменениях Uпит оно должно оставаться в пределах +(3...5) В.
Рис. 32. Экономичный генератор ИК импульсов
Рис. 33. Печатная плата ИК генератора
Рис. 34. Компоновка ИК генератора
Таблица 6
| Uпит,B | Iимп,A | Iпотр, мА |
| 4,3 | 0,36 | 0,15 |
| 5 | 0,46 | 0,22 |
| 6 | 0,64 | 0,31 |
| 7 | 0,85 | 0,43 |
| 8 | 1,05 | 0,53 |
| 9 | 1,1.8 | 0,64 |
| 10 | 1,36 | 0,75 |
Генератор монтируют на двусторонней печатной плате размером 17,5х55х1,2 мм (рис. 33). Фольгу под деталями используют лишь в качестве нулевой шины-«земли» (с ней соединяют «-» источника питания), в местах пропуска проводников она имеет выборки — кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны). Выводы деталей, соединяемые с «землей», припаивают непосредственно к нуль-фольге (показаны зачерненными квадратами).
Транзистор VT1 устанавливают параллельно плате, его выводы согнуты под прямым углом, расстояние между ним и платой - 4...5 мм.
Общая компоновка излучателя показана на рис. 34. Помещенный в гнездо сечением 45х18 мм и глубиной 57...60 мм, вырубленное в стене дома, в столбе веранды, в перилах крыльца, в засохшем дереве и т.п., излучатель маскируют наклейкой подходящего цвета и фактуры. Если она непрозрачна для ИК лучей, в ней делают небольшое, по диаметру ИК диода, отверстие. Батарею питания лучше поместить снизу. Это позволит избежать порчи излучателя в случае ее разгерметизации.
В таблице 6 приведены зависимости Iимп - амплитуды тока в ИК диоде и Iпотр - тока, потребляемого генератором от источника питания, от Uпит - напряжения источника питания. Частота F и длительность tимп остаются при этом практически неизменными.
Токовый КПД ИК излучателя ррррh=Iимп·tимп·F / Iпотр =0,82...0,87. С батареей «Корунд» он сможет проработать непрерывно 2...3 месяца. А с аккумулятором «Ника», 7Д-ОД25 и т.п., подзаряжаемым солнечной батареей (БС-0.5-9П, БСМ-У1.1, Электроника M1 и др.), в не слишком плохих погодных условиях — без ограничения времени.
Из фоточувствительных приборов далеко не
2.3. Приемники импульсного ИК излучения
Из фоточувствительных приборов далеко не все обладают достаточным быстродействием, чтобы реагировать на каждую вспышку ИК диода. Обычно в фотоприемниках импульсного излучения используют фотодиоды (см. приложение 2)*.
Импульсные микротоки, возникающие в фотодиоде при его облучении, необходимо усилить и привести к нормам цифрового стандарта, т.е. преобразовать каждую И К вспышку в импульс напряжения, пригодный для непосредственного управления цифровой микросхемой того или иного типа.
Высокое входное сопротивление и усиление, значительная широкополосность усилителя, пригодного для решения такой задачи, делают его чувствительным к электрическим наводкам самого разного происхождения. В том числе и к работе электронной «начинки» прибора, в который он входит сам. Поэтому фотодиод и его усилитель обычно тщательно экранируют.
Чувствительность фотоприемника может быть заметно снижена паразитной подсветкой. Поэтому его фотодиод прикрывают, как правило, блендой - зачерненным внутри отрезком металлической или пластмассовой трубы, отгораживающим его от источников света, находящихся в стороне от оптической оси.
Прямую, соосную подсветку фотодиода уменьшают фильтрами, ослабляющими видимую часть спектра подсветки. Лучше, конечно, воспользоваться для этого специальным инфракрасным фильтром с полосой прозрачности, совпадающей со спектром излучения ИК диода. Но опыт показывает, что неплохим ИК фильтром может быть тонкий эбонит, гетинакс, окрашенный полистирол, темные пластиковые обои. Однако, почти полностью «отрезая» видимый свет, такие материалы вносят заметное ослабление и в ИК сигнал.
Хотя современный фотодиод имеет, как правило, встроенную оптику, концентрирующую фотопоток на его р-п переходе, из-за малых размеров ее эффективность относительно невелика. Чувствительность фотоголовки значительно увеличится, если ее фотодиод будет помещен в фокус линзы диаметром 20...40 мм и более, концентрирующей на нем значительно больший световой поток. В этом качестве можно использовать, например, конденсор фотоувеличителя. Или объектив от старого фотоаппарата с наводкой на резкость «по метрам», который позволит к тому же настроить оптический канал наилучшим образом.
*) Непригодны, например, фотосопротивления. Достаточно высоким быстродействием обладают вакуумные фотоэлементы и фотоумножители (ФЭУ). Но для их питания требуются источники высокого напряжения: для фотоэлементов 50...300 В, для ФЭУ - до 1 кВ и более (см. приложение 6). Значительные габариты и хрупкость также ограничивают сферу их применения.
Принципиальная схема приемника импульсных ИК
2.4. ИК приемник на транзисторах
Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов показана на рис. 35. Его выход может быть подключен ко входу цифровой КМОП-микросхемы непосредственно. Если фотоголовка должна быть удалена от цифрового анализатора, а емкость соединяющего их кабеля превысит 100...200 пФ, фотоусилитель потребуется дополнить буферным усилителем. Таким, например, как на рис. 36, а (усилитель-инвертор) или на рис. 36, б. Емкостная нагрузка фотоголовки с таким усилителем на выходе может быть увеличена до 0,01 мкФ.
Рис. 35. ИК приемник на транзисторах
Рис. 36. Усилители мощности в КМОП-технике
Таблица 7
| Uпит,B | Iпотр,мA |
| 4,5 | 0,30 |
| 5,0 | 0,30 |
| 6,0 | 0,32 |
| 7,0 | 0,34 |
| 8,0 | 0,35 |
| 9,0 | 0,37 |
Фотодиод ФД263-01 можно заменить на ФД320. А при наличии хорошего оптического концентратора - почти на любой из указанных в приложении 2.
ИК приемник сохраняет работоспособность при изменении напряжения источника питания Uпит в широких пределах. Зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения питания показана в таблице 7.
Принципиальная схема приемника импульсных ИК
2.5. ИК приемник на микросхеме
Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов на специально для этой цели разработанной микросхеме показана на рис. 37.
Выход этого фотоприемника также может быть соединен с входами цифровых КМОП-микросхем напрямую. Но хотя его выходное сопротивление меньше, чем у описанного выше транзисторного, при большой длине линии, связывающей фотоприемник с электронным анализатором сигналов, его также нужно дополнить буферным усилителем (см. рис. 36, а, б). Емкость линии связи в этом случае может доходить до 0,01 мкФ.
Фотодиод ФД320 можно заменить на ФД263-01, а если в фотоприемнике есть линза-концентратор - практически любым фотодиодом из приложения 2.
Рис. 37. ИК приемник на микросхеме
Таблица 8
| Uпит,B | Iпотр, мА |
| 4,5 | 0,84 |
| 5,0 | 1,00 |
| 6,0 | 1,30 |
| 7,0 | 1,55 |
| 8,0 | 1,90 |
| 9,0 | 2,90 |
Усиление фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход усилителя резистором сопротивлением 0,3...3 МОм.
В таблице 8 приведена зависимость тока Iпотр , потребляемого фотоголовкой, от напряжения источника питания Uпит.
ИК система автоматического опознания узнает
2.6. Инфракрасная «визитная карточка»
ИК система автоматического опознания узнает «своего» по особому сигналу, который излучает брелок-генератор владельца.
Таким сигналом может быть «пакет», содержащий строго определенное число очень коротких инфракрасных импульсов- вспышек. Факторами, затрудняющими информационный «взлом» такой системы, являются, кроме того, длительность каждой вспышки и длительность всего «пакета». Они ограничиваются, как правило, довольно жесткими пределами.
Ниже описан брелок-генератор, формирующий такой пакет-код, и соответствующее ему приемное устройство.
На рис. 38 приведена принципиальная
2.7. ИК генератор «визитной карточки» с шифратором
На рис. 38 приведена принципиальная схема ИК генератора, формирующего пакет, содержащий N импульсов, где NО{1,...,1023} - может быть любым в этих пределах*.
Здесь DD1.1, DD1.2, R2, С1 - управляемый мультивибратор, частота возбуждения которого f@160 кГц (f=1/2 R2·C1); DD2 - 14-разрядный двоичный счетчик; R3C2 - дифференцирующая цепочка, формирующая из спада меандра ( 1 на выходе DD1.3) короткий - 5...10 мкс - импульс, открывающий нормально закрытый транзистор VT1; VD1-VD10, R6 - шифратор (диодно-резисторный «И»), числом и размещением диодов в котором задают N;SB1 - кнопка включения излучателя.
При включении питания на входе R счетчика DD2 формируется импульс «единичной» амплитуды, устанавливающий его в исходное состояние (в этом состоянии на всех его выходах устанавливается напряжение низкого уровня), а мультивибратор, сделав семь холостых «оборотов», выходит на нормальный режим работы. Частота следования меандров на выходе 7 DD2 (четвертый разряд счетчика) F=f/2^4=10 кГц. С соответствующими интервалами - Тп@100 мкс- будут следовать друг за другом и 5...10-микросекундные ИК вспышки излучателя BL1.
Рис. 38. ИК генератор «визитной карточки»
Генерация ИК вспышек продолжится до тех пор, пока на выходе шифратора - входе элемента DD1.6 - не появится напряжение высокого уровня, и, соответственно, на его выходе - напряжение низкого уровня, закрывающего мультивибратор. Число импульсов в пакете зависит от числа и «веса» диодов в шифраторе:
N=VD1+2VD2+4VD3+8VD4+16VD5+32VD6+64VD7+128VD8+256VD9 +512VD10, где: VDi=l, если диод VDi установлен в шифратор, и VDi=0, если его нет. Так как N =1023 и Тп=10^4 с, то длительность пакета не превысит, очевидно, 0,11 с.
Амплитуда импульса тока в самом излучателе - в ИК диоде BL1 - зависит от напряжения питания генератора Uп и сопротивления резистора R7: Iи=(Uп-2,5)/R7 (Iи - в амперах, Uпит - в вольтах, R7 - в омах). Здесь, очевидно, Iи@0,07 А.
Однако нет особой необходимости строго следовать указанным номиналам и типам элементов, составляющих генератор.
В качестве VT1 может быть взят практически любой n-p-n транзистор с h21э>100 и Iк max>100 мА, а излучателем BL1 могут служить ИК диоды типа АЛ115А, АЛ118А, АЛ119Б, АЛ147А и др. (см. приложение 3). В качестве кнопки SB1 можно воспользоваться каким-либо микропереключателем из перечисленных в приложении 1.
Рис. 39. Печатная плата ИК генератора «визитной карточки»
Особое внимание необходимо уделить постоянно подключенному к источнику питания конденсатору С5, поскольку при неудачном выборе он может оказаться здесь основным энергопотребителем. Если ИК генератор имеет небольшие размеры и питается, соответственно, от источника небольшой емкости, то ток утечки в конденсаторе С5 Ic5<1мкА. При небольших N конденсатор С5 может иметь меньшую емкость (и меньший, соответственно, Ic5). В первом приближении можно принять C5(мкФ)»N.
Печатную плату генератора изготавливают из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной ~1,5 мм (рис. 39). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевого провода, для пропуска проводников она имеет выборки-кружки диаметром 1.5...2 мм (на рисунке не показаны).
В качестве источника питания ИК генератора можно взять алкалиновую батарею типа 11А (Ж10,3х16 мм, Uп=6 В, Е=33 мА·ч). Заметим, что в подобного рода приборах не так-важна электрическая емкость источника питания, как его саморазряд, физическая сохранность. Лучшие из нынешних батарей - литиевые - сохраняют свою работоспособность до 10 лет.
*) Запись NО{A} означает, что элемент N принадлежит множеству {А}, т.е. может быть одним из перечисленных в нем элементов.
визитной карточки» приведена на рис.
2.8. ИК приемник «визитной карточки» с дешифратором
Принципиальная схема приемника « визитной карточки» приведена на рис. 40. Здесь DA1 - микросхема, преобразующая импульс тока, возникающий в фотодиоде VDI под воздействием ИК вспышки, в импульс напряжения, амплитуда которого достаточна для непосредственного управления КМОП-микросхемами (рис. 41, а). На элементах DD1.1 и DD1.2 собран одновибратор, преобразующий короткий импульс, соответствующий длительности ИК вспышки*, в импульс длительностью tф=50 мкс (tф@1/2 tп, где tп - период следования ИК вспышек в кодовой посылке (рис. 41, б)). На элементах DD1.3, DD2.3-DD2.5 собрано устройство, формирующее импульс на входе R счетчика DD3 (рис. 41, г), которым он переводится в нулевое состояние по фронту первой же ИК вспышки, и временной
Рис. 40. ИК приемник «визитной карточки»
Рис. 41. Эпюры сигналов в ИК приемнике
интервал Тпр (рис. 41, в), в пределах которого счетчик DD3 может беспрепятственно вести подсчет импульсов (по их спаду), поступающих на его вход С.
Дешифрация кодовой посылки, выяснение того, содержит ли она Nкод - кодовое число импульсов, возлагается на дешифратор Д1. В качестве примера, демонстрирующего его структуру, на рис. 42, а приведена конфигурация Д1 для Nкод=284. Поскольку «вес» выхода Qi в DD3 равен 2^(i-1), то в двоичной записи Nкод=000100011100 (2^(3-1)+ +2^(4-1)+2^(5-1)+2(9-1)=4+8+16+256=284). Дешифратор состоит из 4-входового конъюнктора** (Rl, VD3-VD5, VD9), входы которого
Рис. 42. Дешифратор для Nкод=284
подключены ко всем Qi=1, и 8-входового дизъюнктора (R2, VD1, VD2, VD6-VD8, VD10, VD12), входы которого подключены ко всем Qj=0. Легко видеть, что напряжение высокого уровня (лог.1) возникнет и сохранится на выходе DD1.4 (см. рис. 41, д) лишь в случае, если в счетчике DD3 будет зафиксирован Nкод, в любом другом оно так или иначе будет сведено к нулю. На рис. 42, б показана конфигурация конъюнктора в шифраторе ИК излучателя, формирующего Nкод =284; иное его положение на выходах счетчика связано с тем, что «вес» выхода Qi здесь равен 2^(i-5).
Подобную же структуру будет иметь дешифратор Д1 и для другого Nкод , с иными, конечно, позициями диодов в конъюнктере и дизъюнкторе.
Для того, чтобысистема реагировала на Nкод лишь при достаточно длительной его экспозиции, в цепь формирования выходного сигнала введена цепочка R9·C11@tэксп. Обычно принимают tэксп =0,3...3 с. На кратковременное появление Nкод (в попытках, например, побыстрее подобрать код) такая система просто не отреагирует.
Выход устройства - транзистор VT1 с открытым коллектором - может быть дополнен тем или иным исполнительным механизмом. Например, тональным генератором (рис. 43, а), предупреждающим
Рис. 43. Тональный генератор (а) и электронный ключ к электромеханическому замку (б)
о приходе «своего», или электронным ключом, управляющим электромагнитным замком Y1 (рис. 43, б).
В правильно собранном И К приемнике потребуется, возможно, уменьшить его чувствительность. Это можно сделать как электрически - зашунтировав, например, вход усилителя DA1 резистором R12 (показан на рис. 40 штриховой), так и оптически - прикрыв фотодиод «серым» фильтром, в качестве которого можно использовать, например, пластиковые обои, выполняющие заодно и функцию фильтра, почти полностью «отрезающего» видимую часть спектра паразитной подсветки.
Опыт показал, что излучение ИК генератора способно «пробить» даже 1,5...2-миллйметровый пластик. Кроме того, защитная накладка больших размеров, не позволяющая визуально определить положение фотодиода, окажется еще одним препятствием на пути несанкционированного проникновения в систему.
Защита от подбора кода - основная забота конструкторов такого рода устройств. Принятая здесь система кодирования относительно проста: Nкод - лишь одно число из тысячи возможных. Но подбор кода осложнен здесь и рядом других обстоятельств. Заметим, что длительность кодовой посылки Ткод не может быть ни слишком малой (иначе «слипнутся» импульсы на входе С счетчика DD3), ни слишком большой, больше Тпр (следующая затем ИК вспышка трансформируется в R-импульс, возвращающий DD3 в исходное состояние).
Осложняет подбор кода и t^, во всяком случае очень его замедляет. Защитные функции заложены даже в яркость ИК вспышки - она должна быть лишь достаточной. Повышенная освещенность фотодиода может вывести фотоголовку приемника из рабочего режима и. привести к ошибкам в счете;
И все это, заметим, при отсутствии каких-либо специальных контрмер, которые здесь, конечно же, нетрудно предусмотреть. Можно ввести еще один (или не один) находящийся в стороне фотодатчик, засветка которого немедленно заблокирует систему. Или блокировку, реагирующую на слишком большое число сделанных попыток. Более четырех за минуту, например. Блокировки могут, конечно, и дополнять друг друга.
На рис. 44 показана печатная плата ИК приемника. Ее изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5...2 мм. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины-«земли» (к ней присоединен «-» источника питания), в местах пропуска проводников она имеет вытравленные
Рис. 44. Печатная плата ИК приемника «визитной карточки»
кружки диаметром 1.5...2 мм (на рисунке не показаны). Соединения с нуль-фольгой «заземляемых» выводов показаны зачерненными квадратами.
фотоусилитель (VD1, DA1 и др.) с его большой чувствительностью, широкополосностью, высоким входным сопротивлением необходимо экранировать. В противном случае электрические наводки, в том числе и от работы собственного дешифратора, могут сделать ИК приемник совершенно неработоспособным. Экран, имеющий «окно» для фотодиода, изготавливают из жести в виде коробки и припаивают к нуль-фольге в двух-трех точках. На рис. 44 штриховой линией показано примерное его расположение.
Таблица 9
| Uпит, В | Iпотр, мА |
| 4,2 | 0,9 |
| 5,0 | 1,1 |
| 6,0 | 1,3 |
| 7,0 | 1,6 |
| 8.0 | 1,9 |
| 9,0 | 2,3 |
Рекомендуется также принять меры к минимизации подсветки фотодиода посторонними источниками света, поскольку это может заметно снизить чувствительность приемника к сигналам своего ИК генератора. В качестве бленды, ограничивающей боковой подсвет фотодиода, можно взять отрезок зачерненной внутри пластмассовой или металлической тубы диаметром 10... 15 мм.
Фоточувствительную часть приемника можно изготовить в виде отдельной головки, соединенной с другими его элементами тонким трехпроводным кабелем («+», «-», выв. 10 DA1). Малые размеры такой фотоголовки позволят установить ее в вырезе дверного «глазка», за маскирующей накладкой в толще двери, в дверной коробке и т.п.
ИК приемник сохраняет работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений. Зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения питания Uпит показана в таблице 9.
*) Напомним, что длительность импульса на выходе фотоусилителя DA1 зависит не только от длительности ИК вспышки, но и ее яркости - освещенности фотодиода. Причина - в относительно медленном восстановлении его темновой проводимости.
**) Физические элементы, реализующие конъюнкцию и дизъюнкцию, - так в работах по математической логике обычно называют логические функции И и ИЛИ. Если мы и далее намерены пользоваться результатами математических исследований и не намерены повторять их (что было бы, кстати, совсем непросто), то должны, как минимум, понимать их язык.
Независимо от характера излучения, будь
2.9. Инфракрасный «электронный пароль»
Независимо от характера излучения, будь то радиоволна, ультразвук или свет, особое внимание в устройствах автоматического опознания «своего» уделяют самому сигналу. Основное к нему требование: вероятность появления точно такого же сигнала из постороннего источника должна быть пренебрежимо малой.
В современной технике кодовая посылка обычно имеет вид двоичной последовательности, например, 1001101000111..., где единице соответствует наличие излучения, а нулю - пауза «чистого» эфира или какое-то другое излучение. Если n - число разрядов (знако мест) в таком сигнале, то по-разному расставляя единицы и нули, мы сможем получить 2" различных их сочетаний. Так при n=7 их 128, при n=15-32768, а при n=23 - 8388608.
Среди множества возможных какую-то одну двоичную последовательность выделяют особо - в качестве кода, электронного пароля.
На рис. 45 приведена принципиальная
2.10. ИК генератор «электронного пароля» с шифратором
На рис. 45 приведена принципиальная схема генератора, формирующего подобным образом последовательность инфракрасных вспышек.
Здесь DD1.1, DD1.2, Rl, ZQ1 - задающий генератор, работающий на частоте часового кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц. Микросхемы DD4 и DD5 составляют электронный коммутатор, его выход (объединенные выводы 3 DD4 и DD5) оказывается соединенным с одним из Х-входов этих микросхем в зависимости от адреса, поступающего на входы 1, 2,4, и сигнала на входе S (активизируется микросхема с S=0). Адрес и сигнал S формирует счетчик DD3. Легко вычислить, что смена адреса будет происходить здесь каждые 0,976 мс ((2^5)/32768 с), это tзн - длительность знакоместа в кодовой посылке В середине каждого знакоместа может быть сформирован короткий (R4C2@10 мкс) импульс на выходе DD1.4. Но это произойдет лишь в том случае, если данному знакоместу будет соответствовать сигнал 1 на выходе коммутатора. Этот импульс откроет нормально запертый транзисторный усилитель (VT1, VT2 и др.) и ток, возникший в ИК диоде BI1, преобразуется в ИК вспышку той же длительности.
Рис. 45. ИК генератор «электронного пароля»
Генерация кодовой последовательности начинается (SA1 включен, кнопка SB1 нажата) с формирования короткого импульса на входе R счетчика DD3 (tr@R3·C1), устанавливающего его в исходное, нулевое состояние, и заканчивается с появлением сигнала 1 на выходе 29(вьIB. 14) DD3. Знакоместа - их, очевидно, 16 - следуют во времени в соответствии нумерацией (по стрелкам) Х-входов электронных коммутаторов: 1, 2,..., 14, 15 (нулевому знакоместу всегда соответствует 1; это стартовый импульс пакета, не входящий, конечно, в число кодообразующих). Общая продолжительность кодовой посылки составит таким образом 0,976x15@14,6 мс.
Нужное число-код формируют, так или иначе коммутируя Х-входы микросхем DD4, DD5: соединяя i-ую стрелку с «+» источника питания, если в i-том разряде кода должна быть 1 (X1 DD4, формирующий стартовый импульс пакета , уже соединен с +Uп, или с «землей», если должен быть 0.
Так, например, для генерации кода 111011100111001 потребуется соединить стрелки 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 15 с «+», а стрелки 4, 8, 9,13, 14 - с «-» источника питания.
Рис. 46. Печатная плата ИК генератора «электронного пароля»
Поскольку n=15, то число различных сигналов, из которых любой может быть закоммутирован в качестве кодового, составляет здесь 2^15=32768.
Генератор монтируют на печатной плате, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,2...1,5 мм (рис. 46). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве общего провода (с ней соединен «-» источника питания): в местах пропуска проводников она должна иметь выборки - кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны). Места соединения с нуль-фольгой «заземляемых» выводов резисторов, конденсаторов и др. показаны черными квадратами; черными квадратами со светлой точкой в центре - «заземляемые» выводы микросхем и положение проволочной перемычки, соединяющей с нуль-фольгой «минусовой» вывод конденсатора С4.
В качестве источника питания генератора можно взять 6-вольтную батарею 11 А (габариты - Ж10,3х16 мм, электрическая емкость - 33 мА·ч).
Выключатель SA1 типа ПД9-1 монтируют непосредственно на корпусе генератора. Кнопка SB1, типа ПКн-159 или подобная ей,
должна иметь провод длиной 6...8 мм, достаточный для его вывода сквозь стенку корпуса.
Рис. 47. Осциллограмма кода «111011100111001»
Правильно собранный генератор наладки не требует. Проконтролировать его работу можно с помощью осциллографа, подключив его вход к коллектору транзистора VT1. После включения SA1 и нажатия кнопки SB1 на экране осциллографа (время ждущей развертки 20...30 мс) должна возникнуть и исчезнуть последовательность импульсов, расставленных во времени в соответствии с закоммутированным сигналом. Если это рассмотренный выше код 111011100111001, то ему будет соответствовать осциллограмма, изображенная на рис. 47 («лишний» импульс ,в начале пакета - стартовый). По амплитуде импульсов, измеренных на резисторе R9, можно судить о токе в ИК диоде Iимп@Uимп /R9 (Iимп - в амперах, Uимп - в вольтах, R9 - в омах), а в быстрой развертке (20...50 мкс, тоже ждущей) - об их форме и длительности, которая должна быть в пределах 5...15 мкс.
Двухступенчатое включение кодового излучателя - сначала выключателем SA1, а затем кнопкой SB1 - связано с особенностью самовозбуждения кварцованных генераторов, с их довольно медленным (из-за высокой добротности кварцевого резонатора) вхождением в рабочий режим.
Рис. 48. Вариант включения генератора
Выключатель SA1 можно исключить, организовав питание генератора так, как показано на рис. 48. Но в таком случае кнопку SB1 потребуется нажимать дважды: первое нажатие даст, скорее всего, неверную комбинацию (которая, кстати, может быть даже полезна как маскирующая истинный код). Без выключателя SA1 можно обойтись и в том случае, если в качестве источника питания генератора будет взята низковольтная батарея достаточной емкости, способная обеспечить продолжительную его работу при постоянно включенных микросхемах. Например, литиевый элемент с ЭДС=3 В, имеющий электрическую емкость 0,1 А·ч, сможет проработать в таком режиме около года.
Таблица 10
| Uпит, В | Iпотр, мкА | Iимп, А |
| 2,4 | 5 | 0,18 |
| 3,7 | 16 | 0,38 |
| 4,3 | 30 | 0,38 |
| 5,0 | 60 | 0,46 |
| 6.0 | 140 | 0,59 |
| 7,0 | 360 | 0,72 |
В кодовом излучателе могут быть использованы практически любые ИК диоды, ограничения - лишь габаритные: высота деталей на печатной плате не должна превышать 8 мм. Все резисторы здесь типа МЛТ-0,125, неэлектролитические конденсаторы - КМ-5, КМ-6, К10-17Б и др. Конденсатор С4 - типа К50-35 или К50-40. Рабочее напряжение конденсатора С6 (CE-DS Магсоп, его монтируют в положении «лежа») должно соответствовать напряжению источника питания. В варианте, показанном на рис. 48, необходимо предварительно проконтролировать состояние его диэлектрика: ток утечки в С6 должен быть меньше 1 мкА. При увеличении сопротивления резистора R9, ограничивающего ток в ИК диоде, емкость конденсатора С6 может быть соответственно уменьшена. Довольно большая «дальнобойность» ИК излучателя (с R9=3,9 Ом превышающая 10 м) может оказаться просто ненужной.
Кодовый генератор сохраняет свою работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений.В таблице 10 показана зависимость потребляемого им тока Iпотр и тока в ИК диоде Iимп от напряжения источника питания Uпит.
Принципиальная схема устройства, принимающего кодированный
2.11. ИК приемник «электронного пароля» с дешифратором
Принципиальная схема устройства, принимающего кодированный ИК сигнал брелка-генератора, показана на рис. 49.
Микросхема DA1, представляющая собой фотоусилитель, преобразует импульсы тока в фотодиоде BL1, возбуждаемые ИК вспышками брелка-излучателя, в импульсы напряжения, пригодные для прямого их введения в цифровой анализатор. На рис. 50, а показана импульсная последовательность на выходе фотоусилителя, соответствующая коду 111011100111001, который мы здесь и ниже будем рассматривать в качестве примера.
В приемнике два формирователя. Один из них, выполненный на элементах DD1.1 и DD3.1, расширяет каждый из поступающих импульсов (напомним: их длительность - около 10 мкс) до tф1@R3·C5@0,6...0,8 мс (должно быть выполнено условие: 0,5·tзн<tф1<tзн где tзн=0,976 мс - длительность знакоместа в кодированном сигнале; см. рис. 50, а, б). А второй, собранный на элементах DD1.2 и DD3.3, формирует импульс длительностью tф2@R4·C6=30...50 мс (должно быть: tф2 >16 tзн; см. рис. 50, г). По фронту этого импульса на выходе элемента DD3.5 формируется короткий импульс (tr @R5·C7@10 мкс), устанавливающий сдвигающий регистр DD4-DD5 и счетчик DD6 в нулевое состояние (рис. 50, д).
Элементы DD1.3, DD1.4, R7, ZQ1 образуют задающий генератор, работающий на частоте кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц (задающий генератор ИК излучателя, напомним, работает на этой же частоте).
Принимаемый сигнал (или помеха) фиксируется в сдвигающем регистре DD4-DD5 следующим образом. Фронтом первой же ИК вспышки все запоминающие элементы устройства переключаются
Рис. 49. ИК приемник «электронного пароля»
Рис. 50. Эпюры сигналов для кода «111011100111001»
в нулевое состояние (на выходах микросхем DD4-DD6 устанавливаются нули) и счетчик DD6 начинает счет. Примерно через 0,5 мс (tзн/2) нуль на выходе 2^4 (выв. 5) счетчика DD6 будет замещен единицей. В сдвигающем регистре К561ИР2 изменение напряжения на входе С вида J приводит к перемещению хранящегося в нем числа на один разряд в сторону старших (на рис. 49 - вниз), а в младший разряд регистра DD4 будет вписано то значение, которое в этот момент окажется на его входе D (выв. 7).
Это может быть и 1 - расширенный до tф1 «единичный» импульс, и 0 - если ИК вспышка в этом знакоместе кодовой посылки отсутствовала. Следующий сдвиг числа произойдет через tзн=0,976 мс - «шаг», который сохранится в дальнейшем.
Система сделает лишь 16 поразрядных сдвигов (сдвигающие импульсы, генерируемые счетчиком DD6, показаны на рис. 50, в) - с появлением единицы на выходе 29 счетчика DD6 и, соответственно, нуля на входе DD2.2 (выв. 9), счетчик самозаблокируется и останется в этом состоянии до очередного старта системы.
Таким образом принятая последовательность И К вспышек преобразуется в число, хранящееся в регистре DD4-DD5. Остается выяснить - является ли оно кодовым.
Осуществляется это диодно-резисторным дешифратором Д1, схему которого (для того же кода 111011100111001) иллюстрирует рис. 51. Идея дешифрации проста. Все выходы регистра, на которых в соответствии с кодовой комбинацией должна быть единица, подключают к входам диодно-резисторного конъюнктора (VD1,VD4- VD6, VD9-VD11, VD13-VD15, R1), а выходы, на которых должен
Рис. 51. Дешифратор для кода «111011100111001»
быть нуль, — к входам диоднорезисторного дизъюнктора (VD2, VD3, VD7, VD8, VD12, R2). Если в регистре зафиксировано число- код, то на выходе конъюнктора установится напряжение высокого уровня - 1, а Выходе диэъюнктора - низкого - 0. И только в этом случае на выходе ИК приемника возникнет сигнал 1. Это «единичное» его состояние продержится до тех пор, пока не будет нажата кнопка SB1 «Сброс» (параллельно ей может быть включено несколько кнопок такого же назначения) или по каналу не пройдет какой-либо посторонний сигнал*.
Приемник смонтирован на плате размером 83х54 мм, выполненной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 52). Технология изготовления платы и приемы монтажа деталей на ней те же, что и при изготовлении платы брелка-генератора.
Особое внимание при монтаже приемника следует обратить на электрическую экранировку фотоголовки (BL1, DA1 и др.): обладая высокой чувствительностью и значительной широкополосностью, она подвержена воздействию электрических сигналов самого разного происхождения.
Экран можно изготовить из жести, его раскрой показан на рис. 53: по штриховым линиям сгибают коробку, пропаивают ее в углах, выравнивают низ и установив так, как показано штрих-пунктиром на рис. 52, припаивают в двух-трех точках к нуль-фольге. При необходимости усиление фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход микросхемы DA1 резистором сопротивлением R1=0,3...З МОм.
Рис. 52. Печатная плата ИК приемника «электронного пароля»
Все резисторы в приемнике - типа МЛТ-0,125. Габариты конденсаторов С4 и С10 - Ж8х12 мм. Конденсатор С2 - типа К53-30, остальные - КМ-6, К10-176 и КД. Габариты кварцевого резонатора - Ж2х6 мм.
На плате выделено место для размещения элементов описанного выше (см. рис. 43, а) звукового генератора. На рис. 52 оно оконтурено штрих-пунктиром.
Необходимо принять меры по ослаблению засветки фотодиода посторонними источниками света, способными существенно
Рис. 53. Выкройка экрана фотоусилитвля
уменьшить чувствительность фотоприемника. Фотодиод можно поместить в «колодец», склеенный из черного полистирола, который защитит его от воздействия источников, расположенных в стороне от оптической оси. К тому же образующийся невидимый «коридор», в пределах которого только и будет возможен оптический контакт приемника с брелком-излучателем, умножит и без того немалые трудности информационного «взлома» системы.
Окно фотодиода полезно заклеить пленкой, ослабляющей по преимуществу видимый свет. Тем более, что расстояние, на котором приемник способен обнаружить и дешифровать ИК вспышки брелка, в не слишком плохих условиях превышает 10 м. В чем, чаще всего, нет никакой необходимости.
К выходу приемника (выв. 12 элемента DD3.6) могут быть подключены самые разные сигнальные устройства. Например, светодиод, показанный на рис. 49 штриховым контуром, или звуковой генератор, оповещающие о появлении «своего». Но если по сигналу приемника охранная система должна принять решение самостоятельно (включить, например, привод электрозамка), то в электронный ключ, управляющий исполнительным механизмом (ИМ), нужно ввести задержку.
Так, например, как это показано на рис. 54. Запаздывание включения ИМ зависит здесь от постоянной времени R2C1 и может составить несколько десятых долей секунды. Длительность задержки увеличится еще, если в эмиттерную цепь транзистора VT1 включить диод VD3, рассчитанный на рабочий ток ИМ, например, КД213А. Напряжение питания ИМ, с учетом возникающих при его выключении экстранапряжений (диод VD2 при индуктивных нагрузках обязателен), не должно превышать максимально допустимого для транзистора VT1 (60 В - для КТ972А, 45 В - для КТ972Б). Рабочий ток исполнительного механизма не должен превышать здесь 2 А.
Рис. 54. Электронный ключ с задержкой
Задержка срабатывания исполнительного механизма - эффективное средство в борьбе с попытками выяснить подбором задействованный в системе код. В принятой здесь системе кодирования даже секундная задержка заставит злоумышленника простоять у чужих дверей не один час. И это - при наличии у него соответствующей аппаратуры, знания принципов кодирования и время-импульсных характеристик ИК излучения. «Подсмотреть» же работу ИК брелкагенератора, не войдя в визуальный контакт с его владельцем, несравненно сложнее, нежели это допускают кодовые генераторы, работающие в радиодиапазоне.
Приемник сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 4 В, потребляемый им ток не превышает 1,4 мА.
*) Заметим, что дешифратору безразлично состоянием старшего разряда регистра DD5, поскольку по окончании записи на его выв. 2 обязательно окажется 1 - стартовый бит кодовой комбинации или первый бит помехи.
в радиоэфире, легкость обнаружения переданного
2.12. ИК линия связи в охранной системе
Большие помехи в радиоэфире, легкость обнаружения переданного по радио и последующей его имитации, административно-финансовые препятствия, созданные перед каждым желающим воспользоваться радиоканалом в своей охранной системе (ОС)*, заставляют искать здесь какие-то иные средства связи. С появлением полупроводниковых излучателей, способных генерировать мощные ИК вспышки, и фотодиодов с встроенной оптикой инфракрасный диапазон стал представлять интерес и в этом отношении.
В линии связи, работающей в системе охранной сигнализации, должны, очевидно, по-разному представляться три возможные ситуации: а) на охраняемом объекте нарушений нет; б) объект передает сигнал тревоги; в) «обрыв» в канале связи.
*) В России передачу сигналов охранных систем по радио разрешено вести лишь в двух частотных каналах (см. с. 10). Это - для всех нас. Напомним, что в особом состоянии ионосферы, на так называемом «проходе», помеху, блокирующую радиоканал, может вызвать не только сигнал соседа, находящегося «лишь» в 5...10 км, но и радиопередатчик, удаленный на 1.5...2 тысячи километров.
Его принципиальная схема приведена на
2.13. Передатчик в ИК линии связи
Его принципиальная схема приведена на рис. 55. Здесь DD1.1, DD1.2, R3, ZQ1 - тактовый генератор, возбуждающийся на частоте кварцевого резонатора fр=32768 Гц. DD3 - счетчик, на выходе 11 (выв. 15) которого формируется 16-герцовый меандр (f11=fр/2^11), а на выходе 14 (выв. 3) - 2-герцовый (f14=fр/2^14). Элементы DD2.1- DD2.4 образуют переключатель, на выходе которого (выход DD2.4) возникает 2-герцовый или 16-герцовый меандр в зависимости от уровня напряжения на входе 5 элемента DD2.1*.
Из фронта меандра дифференцирующая цепочка R5C3 и импульсный усилитель DD1.4-DD1.6 формируют в базе нормально запертого транзистора VT1 импульс тока длительностью tи@10 мкс (tи@R5·C3). Возникающий в цепи коллектора транзистора VT1 ток возбуждает ИК диод BI1 ив пространство излучается короткая ИК вспышка.
Итак, ИК передатчик всегда что-то излучает - либо редкие, 2-герцовые импульсы, если оснований для тревоги нет, либо частые,
16-герцовые - тревожные.
Рис. 55. Передатчик ИК линии связи
Рис. 56. Печатная плата передатчика
На рис. 56 показана печатная плата передатчика, которую изготавливают из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольга со стороны деталей используется лишь в качестве нулевого провода-«земли»; в местах пропуска проводников в ней вытравлены фрагменты той или иной конфигурации. Место пайки к нуль-фольге «заземляемого» вывода резистора, конденсатора и др. показано зачерненным квадратом; соединение с ней вывода микросхемы или проволочной перемычки - квадратом со светлой точкой в центре.
В центре платы сверлят отверстие под ИК диод, его выводы припаивают к соответствующим уширениям на печатных проводниках внакладку.
Все резисторы ИК передатчика - типа МЛТ-0,125. Конденсаторы: С1, С2, С5 - КМ-6 (выводы в одну сторону); С4 - К50-6; С6 - TOWA или другой, диаметром не более 10 мм; СЗ - КМ-5 (выводы в разные стороны).
Имеющиеся в продаже ИК диоды предназначены для работы в устройствах дистанционного управления бытовыми радиоаппаратами и обычно имеют довольно широкий - до 30...400 - лепесток излучения.
Для увеличения «дальнобойности» такого излучателя в него нужно ввести линзу-конденсор. Так, как показано на рис. 57. Здесь: 1 - печатная плата передатчика; 2 - ИК-диод; 3 - корпус передатчика (ударопрочный полистирол толщиной 2...2,5 мм); 4 - обойма стандартной 5-кратной часовой лупы (на ней должен быть значок «х5»); 5 - ее линза.
Рис.57. Корпус с линзой- концентратором
Лупу приклеивают к передней стенке корпуса (клей - распущенные в растворителе 647 или RS-2 кусочки полистирола; им же клеят и сам корпус), в которой сделано отверстие диаметром 30...35 мм. При указанном на чертеже расстоянии между основанием лупы и печатной платой ИК диод оказывается в фокусе ее линзы, его излучение сжимается в узкий луч и освещенность окна фотоприемника на другом конце ИК линии связи многократно увеличивается.
Важнейшим параметром ИК передатчика, как и любого элемента охранной техники, является его энергопотребление в дежурном режиме. В таблице 11 показана зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит. В режиме передачи тревожного сигнала Iпотр увеличивается примерно на 10%.
Невысокое общее энергопотребление позволяет ввести резервный источник питания непосредственно в корпус ИК передатчика без увеличения его габаритов. Это может быть, например, 6-вольтная батарея типа 11А (Ж10,3х16 мм, емкость 33 мА·ч) или 476А (Ж13х25 мм, емкость 105 мА·ч). Показанная в таблице 11 зависимость тока в ИК диоде Iимп от напряжения питания позволяет судить о мощности ИК вспышек, излучаемых передатчиком, и, соответственно, о его «дальнобойности».
Таблица 11
| Uпит ,B | Iпотр, мА | Iимп, А |
| 4,2 | 0,20 | 0,36 |
| 5,0 | 0,40 | 0,46 |
| 6.0 | 0,77 | 0,64 |
| 7,0 | 1,30 | 0,82 |
| 8,0 | 1,90 | 0,97 |
| 9,0 | 2,70 | 1.23 |
| 10,0 | 3,60 | 1,38 |
Размещая передатчик, нужно помнить об очень узкой диаграмме его излучения. Узел крепления должен позволить точную наводку передатчика и жесткую его фиксацию в лучшем положении. Можно воспользоваться, например, шарнирной головкой от фотоаппарата или кинокамеры, установив ее на стене, раме окна и т.п.
Или выполнить этот узел в виде двух латунных пятачков, соединенных отожженной медной
Рис. 58. Узел крепления передатчика
проволокой диаметром 2...2,5 мм (рис. 58). Один из пятачков крепят винтами к боковой стенке излучателя (резьба - в стенке), другой - шурупами к опоре. Проволоку сгибают так, чтобы излучатель занял нужное положение. Во избежание значительных вибраций она должна быть возможно более короткой.
Испытания показали, что при Uпит=6 В передатчик способен обеспечить связь на расстоянии r@70 метров (с отоприемником, описание которого приведено ниже). Но это не предел. Зависимость r от Iимп при прочих равных условиях имеет вид: г@к·ЦIимп , где к - коэффициент, учитывающий «Прочие условия». Таким образом, при Uпит =10 В r@100 м. Ток в ИК диоде может быть увеличен и за счет сопротивления резистора R7: Iимп=[Uпит-4] /R7 (Iимп - в амперах, Uпит - в вольтах, R7 - в омах). Но делать это нужно с осторожностью: в любом сочетании Uпит и R7 амплитуда тока в ИК диоде не должна превышать предельно допустимую (см. приложение 3).
Значительное увеличение яркости ИК вспышки можно получить, перестроив «сильноточную» часть импульсного усилителя так, как показано на рис. 59 (печатная плата - на рис. 60, а, б). В этом случае может быть достигнут ток в импульсе Iимп=10 А - допустимый для ИК диода типа АЛ123А. Резистор R4 - самодельный, отмеренный по цифровому омметру или вычисленный (см. приложение 8) отрезок нихромовой, константановой или манганиновой проволоки.
Рис. 59. Головка излучателя с ИК диодом АЛ123А
Рис. 60. Печатная плата головки мощного ИК излучателя
Амплитуду и форму тока, возбуждающего ИК диод, можно проконтролировать осциллографом, подключив его к резистору R4.
Излучающую головку можно выполнить в виде отдельного блока во «всепогодном» исполнении. Все остальные элементы ИК излучателя могут войти в электронную часть охранной системы в качестве ее фрагмента, связанного с ИК головкой лишь тонким трехпроводным кабелем.
Рис. 61. Приемник ИК линии связи
*) Выделенное на рисунке штрих-пунктиром - пример датчика охранной системы, формирующего на своем выходе нужный сигнал.
в ИК линии связи приведена
2.14. Приемнике ИК линии связи
Принципиальная схема приемника в ИК линии связи приведена на рис. 61. Здесь DA1 - усилитель-формирователь, преобразующий ИК вспышку, освещающую фотодиод BL1, в импульс напряжения с амплитудой U10@Uc4 (эпюра 1 на рис. 62). Одновибратор, выполненный на элементах DD1.1, DD2.1 и др., расширяет этот импульс* до tф1@R2·C5@15 мс (эпюра 2 на рис. 62) для задержки его спада (1) на входе С счетчика DD3 и формирования «щелчка» длительностью tф1, в звуковом генераторе, выполненном на DD2.5, DD2.6, BF1 и др.
Одновибратор DD1.3, DD2.3 и др. формирует импульс длительностью tф2@R4·C6@1,5 с (эпюра 3 на рис. 62), разрешающий беспрепятственный подсчет импульсов в DD3 лишь на этом временном интервале.
Приемник активизируется фронтом первой же ИК вспышки. Из него формируется короткий (tr@R6-C7) импульс на входе R счетчика DD3 (эпюра 4 на рис. 62), устанавливающий счетчик в предстартовое состояние (ему соответствует 0 - напряжение низкого уровня - на всех его выходах), а спадом импульса длительностью tф1
Рис. 62. Эпюры сигналов
в счетчик записывается первая единица. Если на фотоприемник поступают импульсы, следующие с частотой 2 Гц (с такой частотой, напомним, следуют ИК вспышки, если датчики на охраняемом объекте не потревожены), то на выходе 4 (выв. 5) счетчика DD3 сохраняется 0, так как фронтом четвертого импульса (он появится через 0,5х4=2 с - по окончании разрешающего счет интервала tф2 =1,5 с) счетчик DD3 будет возвращен в исходное состояние.
По иному ведет себя приемник, если на него приходят ИК импульсы, период следования которых равен 62,5 мс, т.е. - сигнал тревоги. Поскольку 62,5х4=250 мс < tф2-1,5 с, то четвертый импульс переведет счетчик DD3 в состояние «4» (000100; на его выводе 5 появляется 1 - напряжение, близкое к напряжению питания), счетчик в этом состоянии самозаблокируется (сигнал 1 на входе 8 элемента DD1.2 делает его нечувствительным к сигналам на входе 9), а включившийся красный светодиод HL1 и 16-герцовые щелчки звукового генератора доведут сигнал тревоги до окружающих (эпюры 5 и 6 на рис. 62).
Это будет продолжаться примерно 1,25 с (tф2 -0,25), после чего возникнет 0,25-секундная пауза и тревожная сигнализация повторится.
При обрыве связи приемник ведет себя иначе. Если на временном интервале tобр (tобр=R11·C8) приемник не обнаруживает ИК вспышки, конденсатор С8 разряжается по цепи VD6, R11, DD2.3, транзистор VT1 открывается до насыщения, напряжение на резисторе R8 увеличивается с -О В почти до напряжения питания, на выходе DD 1.4 устанавливается напряжение низкого уровня и звуковой генератор начинает излучать монотонный сигнал с частотой fтон@1/2R14·C9. С появлением первой же ИК вспышки конденсатор С8 быстро заряжается по цепи R10, VD5, тональное излучение прекращается и приемник приступает к анализу поступающих сигналов.
Печатную плату приемника изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита 50х50 мм толщиной 1,5 мм (рис. 63) подобно тому, как это сделано в ИК передатчике.
Фотоголовку ИК приемника (BL1, DA1 и др.), обладающую высокой чувствительностью к электрическим наводкам в широком спектре частот, необходимо экранировать. Экран изготавливают из жести, его выкройка показана на рис. 64. Штриховые линии здесь - места сгибов. Согнутый экран пропаивают в углах, выравнивают его низ и, установив в нужном положении
Рис. 63. Печатная плата приемника
на нуль-фольгу (на плате оно показано штриховой линией), припаивают к ней в двух-трех точках.
Конструктивно ИК приемник может быть выполнен так, как показано на рис. 65. Здесь: 1 - корпус приемника (черный полистирол толщиной 2...2,5 мм); 2 - обойма 7-кратной ручной лупы (ручка срезана); 3 - ее линза; 4 - печатная плата; 5 - экран фотоголовки;
6 - фотодиод ФД 263-01. Обойму лупы приклеивают к передней стенке корпуса, имеющей отверстие диаметром 35 мм (клей — распущенные в растворителе 647 или в RS-2 кусочки полистирола).
Расстояние между стоящими соосно фотодиодом и линзой должно быть близко к ее фокусному расстоянию. Это сконцентрирует
Рис. 65. Конструкция приемника
поступающий световой поток на фотодиоде и значительно увеличит чувствительность фотоприемника к слабым сигналам**.
К узлу крепления приемника предъявляются те же требования, что и к креплению передатчика: должна быть обеспечена удобная его наводка и надежная фиксация в лучшем положении.
Если по условиям связи ИК приемник должен быть вынесен на улицу (для связи, например, с автомобилем, стоящим у торца дома, или с квартирой на другом его конце), то его лучше составить их двух частей: внешней, во влагозащитный корпус-бленду которой помещают лишь объектив и фртоголовку, и внутренней - со всем остальным. Эти части связывают тонким трехпроводным кабелем («+», «-», выв. 10 микросхемы DA1).
Приемник может быть дополнен акустическим излучателем большей мощности, например, динамической головкой, включенной так, как показано на рис. 66, или пьезосиреной ACT-10 (рис. 67), сохраняющей достаточную мощность и при пониженном напряжении питания.
Как показали предварительные испытания, протяженность ИК линии связи с описанными здесь ИК приемником и передатчиком достигает 70 метров. Существенное ее увеличение может дать переход
В ИК приемнике важнее диаметр объектива. С его увеличением увеличивается освещенность р-п перехода фотодиода и, соответственно, расстояние, с которого может быть зафиксирована ИК вспышка излучателя.
Рис. 66. Динамическая головка в акустическом излучателе
Рис. 67. Пьезосиренав акустическом излучателе
на настраиваемую оптику - если вместо неподвижной линзы с ее приблизительной фокусировкой использовать объектив от старого фотоаппарата с наводкой на резкость по расстоянию, «Дальнобойность» передатчика может быть увеличена еще в 1,5...2 раза и более за счет увеличения яркости ИК вспышки.
С другой стороны, в линиях связи, не превышающих 20...25 м (автомобиль или «ракушка» под окнами 3...4-этажного дома, окно дома на другой стороне улицы и т.п.), оптика может не потребоваться вообще, во всяком случае - в ИК приемнике.
*) Напомним, что при умеренной засветке длительность этого импульса близка к длительности самой ИК вспышки. При интенсивной, от близко расположенного излучателя, например, она может увеличиться в 3...5 раз и более из-за относительно медленного «рассасывания» зарядов в р-n переходе фотодиода.
**) Угол расхождения лучей в объективе ИК передатчика, его так называемая апертура, должен соответствовать лепестку ИК диода (см. углы излучения ИК диодов в приложении 3). Тогда объектив «соберет» все его излучение.
Радиолюбителю-конструктору. Практические схемы
3. ОСТОРОЖНО - РАДИАЦИЯ!
Ионизирующая радиация опасна не только своей высокой поражающей способностью - доза, смертельно опасная для человека, в тепловом ее эквиваленте едва нагрела бы и стакан воды, но и тем, что она никак не воспринимается нашими органами чувств. Ни один из органорецепторов человека не предупредит его о сближении с источником радиации любой интенсивности.
Это обстоятельство позволяло долгое время скрывать от населения происходившие в нашей стране радиационные аварии и их последствия. И даже после взрыва на Чернобыльской АЭС, радиоизотопный след которого ощутила, как минимум, вся Европа, еще несколько лет у нас блокировались любые попытки дать в руки населения приборы, которые позволили бы ему самому позаботиться о своей безопасности. И лишь с появлением* в свободной продаже датчиков ионизирующей радиации - так называемых счетчиков Гейгера - управлявшие нашей страной утеряли, наконец, исключительное право знать то, что не следует, по их мнению, знать населению...
3.1. «Сторож-Р» - прибор непрерывного радиационного контроля
3.2. Радиационный индикатор в радиоприемнике
3.3. Радиолюбительский дозиметр
3.4. Датчик радиации в охранной системе
3.5. Экономичный источник питания счетчика Гейгера
3.6. Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения
*) Этому «появлению» способствовали не только статьи в журнале «Радио», о которых мы еще будем говорить, но и многомиллионный «АиФ», опубликовавший принципиальную схему чрезвычайно простого прибора радиационного контроля, которому не хватало лишь счетчика Гейгера [14]. Пренебречь последовавшей реакцией, судя по всему, уже не решились.
На техногенное загрязнение окружающей среды
3.1. «Сторож-Р» - прибор непрерывного радиационного контроля
На техногенное загрязнение окружающей среды нередко смотрят как на неизбежную «плату» за те удобства цивилизованной жизни, которые нам предоставляет научно-технический прогресс. Но если о загрязнениях, хоть как-то себя проявляющих, мы можем судить и сами, можем так или иначе минимизировать их воздействие на себя, то по отношению к веществам, полям, средам, недоступным нашим органам чувств, мы оказываемся в ином положении: не только предпринимать какие-либо меры самозащиты, но и просто узнать о появлении такой опасности, даже длительном ее существовании мы не можем.
В таких случаях остается целиком и полностью полагаться на те или иные службы централизованного контроля, сознавая, что по самому характеру своей деятельности, по физическим своим возможностям они в лучшем случае будут следить лишь за среднестатистическим благополучием каждого из нас и его соответствием нормам своих ведомств.
Все это в полной мере относится и к радиационному загрязнению окружающей среды - к радиоизотопам, к их проникающему излучению: невидимому, неслышимому, неосязаемому, не обладающему ни запахом, ни вкусом даже в безусловно недопустимых дозах. Правда, монопольное право на радиационный контроль в нашей стране ведомственные службы недавно утеряли - у населения появились персональные дозиметры.
Но «измерение опасности» - этой первоосновы ведомственного контроля, пришедшей к нам вместе с персональными дозиметрами (в большинстве своем - упрощенными моделями профессиональных), - лишь на первый взгляд кажется чем-то вполне заменяющим органолептический контроль. В том, что ни один из органов чувств человека не может быть отнесен к категории измеряющих, можно, конечно, видеть лишь ни к чему не обязывающие нас особенности эволюции живого. Но то, что потеря любого из них не компенсируется даже самым совершенным произведением нынешней электронной техники, заставляет отнестись к органолептической ориентации - к самой ее идеологии, ее шкале ценностей - с должным вниманием.
Как, соответственно, и к приборам, способным подобным же образом ориентировать человека в потенциально опасных для него новых средах.
Техника персональной ориентации человека в продуктах и отходах современной цивилизации призвана решать задачи, непосильные для специалистов-профессионалов, независимо от их числа, квалификации и оснащения. Всегда - как это неизменно выяснялось - недостаточных.
Но какими же могут быть функции у приборов «органолептического» контроля радиационной обстановки? Чем, собственно, они должны отличаться от обычных дозиметров? И вообще - располагаем ли мы для этого достаточными средствами?
Органолептический прибор радиационного контроля - радиационный технорецептор - отличается от дозиметрического прежде всего своим назначением: он обязан своевременно поставить в известность своего владельца о его сближении с источником радиации, о появлении пока еще потенциальной для него опасности.
Техническое обеспечение такого режима работы прибора сказывается почти на всех его параметрах. Так, если энергоэкономичность дозиметра является для него показателем достаточно второстепенным, то для технорецептора он - из важнейших: прибор, не способный работать непрерывно, требующий постоянной заботы о своем энергообеспечении, вообще не может быть отнесен к этой категории. С другой стороны, почти теряет смысл вопрос о точности технорецептора. Во всяком случае в выборе между возможностью «видеть» широкий спектр радиационных излучений и точностью количественной оценки только какой-то его разновидности - лишь гамма-излучения, например, - безусловный приоритет будет иметь спектральная широкополосность прибора.
Различаются эти приборы и по форме представления информации. Радиационный технорецептор должен включать ее в рецепторное пространство человека. То есть, он должен обладать способностью информировать своего владельца о радиационной обстановке и ее изменении без какого-либо запроса с его стороны. Обычные в измерительной технике табло и шкалы здесь, очевидно, ничем помочь не могут.
Рис. 68. Радиационный индикатор «Сторож-Р»
Особые требования предъявляются и к надежности технорецептора. Она должна быть не только высокой, но и постоянно проверяемой - отказ прибора должен обнаруживаться незамедлительно.
Органолептический прибор радиационного контроля должен обладать и высокой радиационной чувствительностью, во всяком случае - быть способным контролировать естественный радиационный фон и практически мгновенно реагировать на сколько-нибудь заметные его изменения.
И, наконец, все это мало бы чего стоило, если бы стоило дорого...
С учетом вышеизложенного и был спроектирован «Сторож-Р» - сторож радиационный - прибор непрерывного радиационного контроля.
Его основные параметры:
| Спектр контролируемых излучении | b(>0,5 МэВ), g(>0,05 МэВ) |
| Реакция на естественный радиационный фон (ЕРФ) | акустические импульсы- щелчки, следующие со средней частотой 15...25 имп/мин; |
| Реакция на изменение уровня радиации | изменение скорости счета (линейная зависимость); |
| Порог тревожной сигнализации | 4...5 ЕРФ |
| Напряжение источника питания | 9 В |
| Потребляемый ток: в фоновых радиационных полях в режиме тревожной сигнализации |
0,15...0,2 мА 3...4 мА |
| Время непрерывной работы (с батареей «Корунд») | > 5000 часов |
| Время выхода на рабочий режим | <1c |
| Габариты прибора | 120х46х21 мм |
| Масса прибора (с источником питания) | 100 г |
На элементах DD1.1, DD1.2, СЗ и R4 собран одновибратор, преобразующий импульс, поступающий со счетчика Гейгера и имеющий затянутый спад, в «прямоугольный», длительностью 5...7 мс.
Фрагмент схемы, включающий в себя элементы DD1.3, DD1.4, С4 и R5, представляет собой управляемый по входу 6 DD1 звуковой генератор, возбуждающийся на частоте F@1/2·R5·C4@1 кГц, к парафазному выходу которого (выходы 3 и 4 DD1) подключен пьезоизлучатель НА1.
Акустический импульс-щелчок возбуждается в нем «пачкой» электрических импульсов.
На элементах VD4, R8...R10, С8 и С9 собран интегратор, управляющий работой порогового усилителя, выполненного на микросхеме DD2.
Рис. 69. Печатная плата «Сторожа-Р»
Напряжение на конденсаторе С9 зависит от средней частоты возбуждения счетчика Гейгера; по достижении им потенциала отпирания полевого транзистора, входящего в DD2, включается светодиод HL1: частота и длительность его вспышек будут расти с увеличением уровня радиации.
Прибор монтируют на печатной плате, изготовленной из двустороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 69, а). Фольга обратной стороны используется лишь в качестве нулевой шины (она соединена с «-» источника питания), в местах пропуска проводников в ней вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм.
Двухцокольный счетчик СБМ20 крепят на печатной плате жесткими скобками (стальная проволока диаметром 0,8...0,9 мм). Их надевают внатяг на выводы счетчика и впаивают в предназначенные для них отверстия. Счетчик с мягкими выводами (другое оформление счетчика СБМ20) крепят за корпус охватывающими его тонкими скобками (монтажный провод диаметром 0,4...0,6 мм), отверстия для их распайки - «а-б» и «в-г».
Трансформатор Т1 наматывают на кольцевом сердечнике М3000НМ типоразмера К16х10х4,5 мм. Острые ребра сердечника предварительно заглаживают шкуркой и покрывают весь сердечник электрически и механически прочной изоляцией, например, обматывают лавсановой или фторопластовой лентой.
Первой наматывают обмотку I, она содержит 420 витков Провода ПЭВ-2-0,07. Обмотку ведут почти виток к витку, в одну сторону, оставляя между ее началом и концом промежуток в 1...2 мм. Обмотку I также покрывают изоляцией. Далее наматывают обмотку II-8 витков провода диаметром 0,15...0,2 мм в произвольной изоляции, и поверх нее - обмотку III - 3 витка тем же проводом. Эти обмотки также должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее. Расположение обмоток и их выводов должно соответствовать рисунку печатной платы, а их фазировка - указанной на принципиальной схеме (синфазные концы обмоток обозначены точками).
Готовый трансформатор рекомендуется покрыть слоем гидроизоляции - обмотать, например, узкой полоской липкой пластиковой ленты. На плату трансформатор крепят винтом МЗ между двумя эластичными, не продавливающими обмоток, шайбами.
При сборке прибора рекомендуется использовать следующие типы конденсаторов: С1 - К73-9-630В, С2 - КД-26-500В, С8 и С9 - К10-17-26, С5 - К53-30 или К53-19; С7, С10 - К50-40 или К50-35.
При возможных заменах следует иметь в виду, что завышенные утечки конденсаторов С1 и С2 (как и обратный ток диодов VD1 и VD2) могут резко увеличить энергопотребление прибора. Оно может быть заметно увеличено и неудачным выбором конденсатора С5.
Резисторы: R1 - КИМ-0,125 или СЗ-14-0,125, остальные - МЛТ-0,125, С2-23-ОД25 или С2-33-ОД25.
В качестве DD1 можно, конечно, взять микросхему К561ЛА7. Диод КД510А - заменить любым кремниевым с током в импульсе не менее 0,5 А. Светодиод годится практически любой, критерий здесь - достаточная яркость.
Пьезоизлучатель барабанного типа ЗП-1 может быть заменен излучателем с акустическим резонатором - ЗП-12 или ЗП-22. Возможно применение и других пьезоизлучателей. Критерий здесь - достаточна громкость.
Полностью смонтированную печатную плату, пьезоизлучатель и выключатель устанавливают на передней панели прибора, которую изготавливают из ударопрочного полистирола толщиной 2,5 мм (рис. 69, б). Корпус прибора, имеющий форму открытой коробки, изготавливают из полистирола толщиной 1,5...2 мм; по краю, с внутренней его стороны выбирают паз глубиной 2,5 мм для фиксации в нем передней панели прибора по всему ее периметру. Крышку скрепляют с передней панелью винтом М2, место крепления - прилив на отсеке питания с запрессовыванным в нем металлическим вкладышем, имеющим резьбу под винт М2. Поскольку источник питания в приборе меняют очень редко, сдвижную крышку у отсека питания можно не делать.
Так как полистирол может вполне ощутимо ослабить ионизирующее излучение (см. приложения 6 и 7), в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, делают сквозной вырез, который можно перекрыть лишь редкой решеткой.
Такими же решетками перекрывают и акустические вырезы в передней панели и в крышке прибора.
В «Стороже-Р» можно использовать не только счетчики Гейгера типа СБМ20. Годятся, без заметных изменений потребительских свойств и каких-либо переделок прибора, счетчики типа СТС5, СБМ32 и СБМ32К.
Но существуют счетчики Гейгера, способные значительно увеличить общую и спектральную чувствительность прибора. Например, СБТ7, СБТ9, СБТ10А, СБТ11, СИ8Б, СИ13Б, СИ14Б. Все они имеют тонкие слюдяные «окна» и обладают высокой чувствительностью не только к гамма- и жесткому бета-, но и к мягкому бета-излучению (а СБТ11 - и к альфа-излучению). Правда, их конфигурация потребует внесения существенных изменений в конструкцию корпуса прибора, в общую его компоновку. Для некоторых из них потребуется и коррекция порога тревожной сигнализации. Информация по счетчикам Гейгера отечественного производства, которые могут быть использованы в самодельных приборах радиационного контроля, приведена в приложении 4.
Ничто, кроме растущих габаритов и стоимости, не может помешать ставить в «Сторож-Р» и несколько счетчиков Гейгера (их включают параллельно) - для увеличения общей и спектральной чувствительности прибора.
Прибор не требует наладки - правильно собранный, он начинает работать сразу. Но есть в нем два резистора, номиналы которых потребуется, возможно, уточнить. Это резистор R5, с помощью которого частоту звукового генератора выводят на частоту механического резонанса пьезоизлучателя (их значительное несовпадние сказывается на громкости щелчка). И резистор R8, определяющий порог тревожной сигнализации (порог повышается при увеличении сопротивления R8). Коррекция порога может потребоваться не только при использовании счетчика, существенно отличающегося от СБМ20 радиационной чувствительностью, но и при перенастройке прибора для работы в условиях повышенного радиационного фона, в условиях, например, уже состоявшегося радиационного загрязнения местности.
«Сторож-Р» прост в обращении и не требует от владельца какой-либо специальной подготовки.
Редкое пощелкивание акустических импульсов, следующих друг за другом без видимого порядка, отсутствие тревожной сигнализации (вспышек светодиода) говорят о том, что прибор находится в условиях естественного радиационного фона. Это фоновое пощелкивание почти не зависит от времени суток; сезона и местоположения прибора, несколько замедляясь лишь глубоко под землей и ускоряясь в высокогорье.
Увеличение скорости счета при перемещении прибора, а тем более появление тревожной сигнализации, с очень высокой вероятностью означает, что прибор входит в поле источника радиации искусственного происхождения. Рефлекторное стремление человека покинуть это место - совершенно уместная здесь реакция (удаление от источника - лучший вид радиационной защиты, удаление источника - лучшая дезактивация).
Но можно это сделать и чуть позже, предварительно установив местоположение источника, его связь с тем или иным видимым предметом. Поскольку «Сторож-Р» имеет максимальную чувствительность со стороны своего «окна» — выреза в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, эта процедура напоминает радиопеленгацию. Направление на источник может быть установлено и приближением к нему: источник находится в направлении, на котором скорость счета растет максимально быстро.
При поиске источников, имеющих значительно меньшие размеры, нежели сам счетчик Гейгера, рекомендуется проводить сканирование подозрительных мест: перемещать прибор, меняя направление его движения и ориентацию. Таким образом положение невидимой простым глазом «горячей» Частицы, например, определяется с точностью до 2...3 мм.
Однако все это может показаться недостаточным. Хотелось бы знать - опасно обнаруженное или нет. Внесем ясность: на этот вопрос не отвечают, не могут ответить и, возможно, не смогут это сделать никогда дозиметрические приборы любых типов. Рецепта отделения «опасного» от «безопасного» в сколько-нибудь сложных случаях - а взаимоотношения живого с радиоизотопами загрязнений относятся к наисложнейшим - может не быть вообще, во всяком случае - рецепта простого, реализацию которого можно было бы передоверить прибору.
Но и это - если «безопасная» радиация существует хотя бы в принципе. К сожалению, в многолетних поисках она так и не была обнаружена. Можно было говорить лишь о большем или меньшем ее вреде. И в цивилизованных странах от идеи существования подпороговой радиации - радиации, воздействие которой совершенно компенсировалось бы какими-то защитными механизмами организма, - отказались. Отказались давно, в США, например, в 1946 году.
Минимизация облучения человека - этическая норма в обращении с источниками ионизирующего излучения. К различным ведомственным нормам, принимающим в качестве допустимых уровни, значительно превышающие естественный радиационный фон, следует относиться как к попыткам найти баланс, взвесив на универсальных весах хозяйственника стоимость защитных мер - с одной стороны - и потери общества от радиационного поражения - с другой.
«Сторож-Р» отличается от большинства теперь уже многочисленных разновидностей бытовых дозиметрических приборов прежде всего тем, что практически полностью устраняет опасность случайного облучения своего владельца. Работая в непрерывном режиме, почти не мешая другим занятиям (любой фон, как признак стабильности ситуации, легко «уходит» в подсознание человека), он мгновенно обращает его внимание на сколько-нибудь заметное изменение радиационной обстановки (другая, столь же фундаментальная особенность нашего восприятия окружающего).
Особенно эффективен «Сторож-Р» в обнаружении компактных радиационных образований - начальной фазы почти любого радиационного загрязнения. К сожалению, в этой фазе своего существования (наиболее доступной, кстати, для дезактивации) они попадают в поле зрения служб радиационного контроля лишь в виде исключения: даже самая совершенная, но находящаяся в отдалении аппаратура физически не в состоянии обнаружить такого рода источники.
Порог тревожной сигнализации в приборе выставлен так, чтобы под ним оказался бы естественный радиационный фон с почти всеми возможными его отклонениями от среднего значения.
Лишь очень немногие причины, не связанные с источниками радиации искусственного происхождения, могут вывести «Сторож-Р» в режим тревожной сигнализации**.
Но «Сторож-Р» может быть полезен и в условиях уже состоявшегося радиационного загрязнения местности. Выявление точечных источников и высокоактивных «пятен» на новом, техногенном фоне может оказаться делом даже более актуальным: опыт показывает, что радиационные загрязнения в таких местах отличаются чрезвычайной неравномерностью.
«Сторож-Р» - во многих своих прототипах и модификациях испытывался и находил применение в самых разных регионах нашей страны и за рубежом на протяжении последних сорока лет. С его помощью легко обнаруживались выброшенные «светящиеся» элементы старых приборов и радиоактивные ампулы пожарных датчиков, «горячие» частицы Чернобыля на предметах обихода и уже циркулирующие в кроветоке человека радиоактивные образования, высокоактивные минералы и окаменелости в музеях и коллекциях и продукты питания, миновавшие тройной (как утверждалось) казенный контроль, «освещающие» прохожих ускорители НИИ и радиоактивная «грязь» в медицинских учреждениях. И многое, многое другое...
Но куда чаще «Сторож-Р» снимал необоснованные страхи и подозрения - то, что с долей пренебрежения называют радиофобией, а на самом деле являющиеся нормальной реакцией человека на безличное, «среднестатистическое» к нему отношение.
*) Или, что то же, СБМ-20. В заводской маркировке дефис нередко отсутствует (это относится и к счетчикам других типов).
**) Среднее значение естественного радиационного фона на уровне моря близко к 15 мкР/ч. На высоте 1 км фон вырастает примерно вдвое, на высоте 10...12 км - в 10...15 раз. На земном шаре есть несколько мест с аномально высоким уровнем есте- ственного радиационного фона. В 2...4 раза он завышен в некоторых районах Франции, Бразилии, Индии, Египта и почти в 10 раз - на острове Ниуэ в Тихом океане. Причина таких аномалий - особенности местных геологических структур, их радионуклидный состав.
в него радиационным детектором не
3.2. Радиационный индикатор в радиоприемнике
Транзисторный приемник с введенным в него радиационным детектором не только приобретает новую важную функцию, но объединение этих двух аппаратов имеет очевидные выгоды: корпус, источник питания, усилитель низкой частоты и акустический излучатель могут быть в таком «комбайне» общими.
Принципиальная схема радиационного блока, встраиваемого в транзисторный радиоприемник, показана на рис. 70. В его основе - радиационный индикатор «Сторож-Р» (см. в этой книге). Поскольку
Рис. 70. Принципиальная схема встраиваемого радиационного индикатора
Рис. 71. Печатная плата индикатора
различаются эти приборы лишь формой тревожного сигнала (вспышки светодиода там и тональные посылки здесь), то здесь уделим основное внимание возможной конструкции такого «комбайна», стыковке его составляющих.
Все элементы индикатора, за исключением переключателя SA1, монтируют на двусторонней печатной плате, «монтажная» сторона которой показана на рис. 71. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины-«земли», в местах пропуска проводников в ней вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм, а места соединения с ней «заземляемых» проводников показаны черными квадратами. Высота устанавливаемых на плату деталей не должна превышать 8...9 мм. Счетчик Гейгера крепят на плате со стороны печатных проводников с помощью надетых внатяг на выводы анода и катода проволочных скоб, впаянных затем в предназначенные для них отверстия.
Полностью смонтированный радиационный блок (его габариты 19х23х109 мм, масса 22 г) можно установить в радиоприемник так, как это показано на рис. 72, а. В стенке корпуса делают сквозной вырез 11х109 мм для пропуска счетчика Гейгера. Во избежание возможного его повреждения (корпус счетчика очень тонок) на этот вырез наклеивают глубокую (-9 мм) накладку, имеющую форму продолговатой коробки с прорезями - окнами. Такое размещение радиационного блока возможно, если в радиоприемнике найдется свободное пространство 12х19х109 мм.
Вариант размещения, показанный на рис. 72, б, потребует большего пространства - 21х19х109 мм. Правда, габариты приемника в этом случае почти не изменятся: закрывающая вырез в корпусе (9х92 мм) защитная решетка может иметь толщину лишь 1,5...2 мм.
Рис. 72. Варианты размещения индикатора в радиоприемнике
Рис. 73. Радиационный индикатор в выносном блоке
Но если радиоприемник мал или «упакован» так, что установить в нем радиационный блок никак не удается*, то его можно поместить в отдельный футляр (рис. 73, а) и, связав с приемником тонким трехпроводным кабелем, носить так, как показано на рис. 73, б.
Выключатель питания SA1, которым к работающему приемнику подключают радиационный индикатор, можно установить в любом удобном для этого месте. Нередко в качестве выключателя удается использовать тот или иной коммутационный элемент самого приемника - например, свободную или не слишком нужную позицию переключателя диапазонов. Включенный индикатор никак не повлияет на работу приемника - на фоне принимаемой программы появятся лишь редкие (при нормальном радиационном фоне 15...25 имп/мин) акустические щелчки.
Радиационный индикатор рассчитан на установку в радиоприемники, имеющие 9-вольтное питание. Но его можно переделать и для работы в приемниках, питающихся от 6-вольтных батарей. Для этого потребуется лишь изменить моточные данные трансформатора Т1: обмотка II должна иметь 5, а обмотка III - 2 витка провода ПЭВШО-0,12.,.0,15. Обмотка I остается без изменений - все те же 420 витков ПЭВ-2-0,07.
Среди транзисторных приемников, особенно старых выпусков, могут оказаться модели, в которых с нулевой шиной-«землей» соединен не минус источника питания, а плюс. В таких случаях нужно лишь переполюсовать питание индикатора: соединить его «+» с «землей», а общий провод - с «-» радиоприемника.
Номинал резистора R6 выбирают в пределах (10...20)R, где R - сопротивление регулятора громкости радиоприемника.
Накладку или решетку, защищающую счетчик Гейгера от возможного повреждения, изготавливают из того же материала, что и корпус приемника.
Если это ударопрочный полистирол (обычно это так), то для их склейки можно использовать распущенную в растворителе 647 стружку того же полистирола (того же цвета). Это по существу сварное соединение отличается высокой прочностью. Тем же клеем крепят к корпусу приемника и полистироловые стойки - опоры под печатную плату. Они должны иметь отверстия с резьбой под винт М2. Подходящие стойки, даже с залитыми в них металлическими вкладышами, нередко обнаруживаются в корпусах выброшенных электро- и радиоаппаратов самого разного назначения.
Трудности объединения этих двух аппаратов связаны, очевидно, с тем, что обычные бытовые транзисторные радиоприемники изначально на такое их применение не рассчитаны. Конечно, все элементы радиационного блока можно было бы разместить на общей с радиоприемником печатной плате, предусмотрев в его корпусе соответствующее «окно» для счетчика Гейгера.
Обратим внимание будущих конструкторов таких «комбайнов» на особенности УНЧ, противоречивость предъявляемых к нему здесь требований. С одной стороны, при работе с радиоприемником УНЧ должен иметь достаточно малые нелинейные искажения, а с другой - при работе лишь с радиационным индикатором - предельно малое, в паузе близкое к нулю, энергопотребление (ток, потребляемый самим индикатором, <0,2 мА). Энергоэкономичность режима радиационного контроля вовсе не самоцель - в сомнительных обстоятельствах радиационную обстановку контролируют непрерывно.
В заключение заметим, что описанный здесь радиационный индикатор сохранит свою главную функцию - функцию прибора, следящего за радиационной обстановкой, и без узла, формирующего тревожный сигнал. Поэтому при необходимости (отсутствии, например, микросхемы К176ЛП1) этот узел можно исключить (исключают микросхему DD2, диоды VD4 и VD5, резисторы R8...R13, конденсаторы С8 и С9, а вывод 10 элемента DD1.1 соединяют непосредственно с выводом 6 элемента DD1.3).
*) Радиационная чувствительность счетчика Гейгера зависит от его размеров (см. приложение 4). В стремлении непременно вписаться в габариты малоразмерного приемника мы могли бы воспользоваться и малоразмерным счетчиком Гейгера, тем же СБМ10 или СБМ21.Но значительное (в 6...10 раз) снижение радиационной чувствительности вряд ли было бы оправдано в приборе такого назначения.
Ионизирующая радиация опасна для человека
3.3. Радиолюбительский дозиметр
Ионизирующая радиация опасна для человека в любых дозах. В небольших ее воздействие оказывается очень замаскированным - последствия могут проявиться спустя годы, десятилетия и даже в следующих поколениях (онкология, генетические повреждения и др.). С увеличением уровня облучения не только возрастает вероятность таких последствий, но в организме человека возникают нарушения, которые могут привести его к гибели в считанные дни, часы, а то и прямо «под лучом»*. Так что знать уровень радиации, иметь возможность хотя бы приблизительно оценить его представляется никак не лишним.
Обнаружив повышенный уровень ионизирующего излучения, естественно поинтересоваться его источником. Что это: тайно захороненные радиоактивные отходы? Ускоритель соседнего НИИ? Рентгеновский аппарат, «светящий» не туда? Изотопная «мина» просвещенного киллера? Выброшенный за ненадобностью пожарный датчик? Радиоактивный минерал? Кость динозавра?... Какова активность обнаруженного? Конфигурация его излучения?... Для ответов на все эти вопросы нужен прибор, способный в каких- то единицах измерять уровень ионизирующего излучения.
Принципиальная схема радиолюбительского дозиметра, ведущего измерения ионизирующего излучения в ЕРФ - в единицах естественного радиационного фона (Dф@15 мкР/ч), приведена на рис. 74**.
Датчиком радиации BD1 в дозиметре является счетчик Гейгера типа СБМ20, чувствительный к g- и жесткому b-излучению (см. приложение 4). Его реакция на естественный радиационный фон - импульсы тока, следующие без видимого порядка со средней скоростью Na=20...25 имп/мин***. Скорость счета в счетчиках Гейгера линейно связана с уровнем радиации.
Рис. 74. Радиолюбительский дозиметр
Так, на десятикратное увеличение ее уровня счетчик СБМ20 отреагирует десятикратным же увеличением скорости счета - до Nрад =200...250 имп/мин. Прямая пропорциональность преобразования Nрад <->Dрад начнет нарушаться лишь при очень значительных уровнях радиации, с появлением большого числа импульсов, разделенных слишком малым, за пределами разрешающей способности счетчика, временным интервалом.
В паспорте счетчика обычно указывают Nmax - максимальную скорость счета. Для счетчика СБМ20 Nmax=4000 имп/с. И если он сохранит линейность преобразования Nрад <->Dрад хотя бы до 2000 имп/с, то по скорости счета можно будет численно оценивать радиационные поля в диапазоне Dрад =(1...5000) Dф - более чем достаточном для бытового прибора.
Рекомендуемое напряжение питания счетчика СБМ20 - Uпит=360...440 В. На этот диапазон напряжений приходится так называемое плато: изменения Uпит в этих пределах мало сказывается на скорости счета и принимать меры к его стабилизации нет необходимости. Во всяком случае - в приборах умеренной точности.
Устройство, преобразующее напряжение батареи, питающей дозиметр, в высокое напряжение Uпит на аноде счетчика Гейгера, построено на блокинг-генераторе (T1, VT1 и др.). На повышающей обмотке I его трансформатора формируется короткий - 5...10 мкс - импульс амплитудой 440...450 В, заряжающий через диоды VD1, VD2 конденсатор С1. Частота следования импульсов блокинг-генератора F@1/2R6·C3@40 Гц.
Каждая ионизирующая частица, возбуждающая счетчик Гейгера, становится причиной короткого лавинообразно развивающегося разряда. Возникающие на нагрузке счетчика, резисторе R1, импульсы напряжения поступают на одновибратор (DD10.3, DD10.4 и др.), формирующий из них «прямоугольные» импульсы длительностью tф1@R7·C7@0,2 мс и амплитудой, достаточной для управления КМОП-микросхемами. Все нужные в приборе временные интервалы и частоты формирует счетчик DD1. Его задающий генератор работает на частоте кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц.
Счетный узел дозиметра составлен из трех десятичных счетчиков DD4, DD5, DD6, люминесцентные индикаторы HG1, HG2 и HG3 которых индицируют, соответственно, «единицы», «десятки» и «сотни», и одного двоичного счетчика - DD7, представляющего «тысячи». Выходы десятичных счетчиков подключены к соответствующим сегментам люминесцентных индикаторов, а выходы счетчика DD7 - к децимальным точкам этих же индикаторов, на которых «тысячи» индицируются в двоичном коде: °°° - «0», °°* - «1», °*° - «2»,..., ** ° - «6», ***- «7» ( ° - точка «не горит», * - точка «горит»).
Емкость счетного узла увеличивается таким образом до «7999».
Счетчик DD3 формирует единицу измерения, принятую в этом приборе. Если его датчик находится в условиях нормального радиационного фона, то на измерительном интервале tизм=39 с (это длительность «нуля» на выходе М счетчика DD1) на вход DD3 поступает в среднем Nф·39/60=(20...25)·39/60@16 импульсов. Т.е. в норме, при Nрад@Nф на табло счетчика будет зафиксировано: «000», если Nрад<16, или «001», если 16<Nрад<32 (время tизм выбрано так, чтобы флуктуации Nф практически никогда не достигали значения 2Nф ).
Измерительный интервал tизм завершается tинд - 3-секундной демонстрацией результата измерения. Ее формирует счетчик DD2. На время t блокируется вход счетного узла и включается устройство (VT3, VT4, Т2 и др.), преобразующее напряжение питания микросхем в значительно более низкое напряжение питания накалов люминесцентных индикаторов. Его форма - меандр, частота - 32768 Гц.
Интервал индикации tинд заканчивается переводом всех счетчиков прибора в нулевое состояние. И тут же начинается новый цикл измерения.
Прибор смонтирован на односторонней печатной плате размерами 123х88 мм, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 75). На плате установлены все детали, кроме выключателя питания, звукоизлучателя и батареи «Корунд». Почти все резисторы в приборе - типа МЛТ-0,125 (R1 - КИМ-0,125). Конденсаторы: С1 - К73-9, С2 - КДУ или К2М (на напряжение не менее 500 В), СЗ, С4 и С5 - К53-1, остальные - КМ-6, К10-176 и др..
Трансформатор Tl наматывают на ферритовом кольце М3000МН К16х10х4,5, предварительно загладив его ребра наждачной бумагой и обмотав тонкой лавсановой или фторопластовой лентой. Первой наматывают обмотку I, содержащую 420 вит ков провода ПЭВ-2 0,07. Ее размещают почти по всему сердечнику, с промежутком 1,5...2 мм между началом и концом. Намотку ведут почти виток к витку, смещаясь по сердечнику лишь в одну сторону. Обмотку I также покрывают слоем изоляции. Обмотки II (8 витков) и III (3 витка) наматывают проводом ПЭВШО 0,15...0,25.
Рис. 75 Печатная плата дозиметра (масштаб 1:2)
Они должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее. При монтаже трансформатора необходимо соблюдать фазировку его обмоток (их начала отмечены на схеме значком «•»). Экспериментировать с этим не следует - можно сжечь транзистор VT1.
Трансформатор Т2 наматывают на кольце К10х6х5 (феррит 2000НН). Его готовят к намотке так же, как и сердечник для трансформатора Т1. Обмотку I (400 витков) наматывают в два провода (ПЭВ-2 0,07). Конец одной полуобмотки соединяют с началом другой, так образуется средняя точка. Обмотка II содержит 17 витков провода ПЭВ-2 0,25...0,4.
Снаружи трансформаторы рекомендуется обмотать пластиковой изолентой - узкой полоской, вырезанной из липкой ПВХ. Это защитит их от неблагоприятных внешних воздействий. Крепят трансформаторы винтом МЗ (резьба в плате). Более простое, казалось бы, крепление трансформатора проволочной скобой таит в себе опасность: скоба может образовать в трансформаторе короткозамкнутый виток; нередкая, к сожалению, ошибка. Во избежание обрыва обмотки или замыкания ее витков крепление должно быть мягким, эластичным.
Плату монтируют на передней панели прибора (ударопрочный полистирол, дюралюминий и т.п.), в которой вырезано окно против люминесцентных индикаторов. Оно может быть закрыто зеленым фильтром. На ней же в вырезе нужного размера монтируют пъезоизлучатель ЗП-1 или ЗП-22. А под светодиод HL1 делают соответствующее его размерам отверстие.
Корпус прибора - стандартная пластмассовая коробка 130х95х20 мм (например, из-под шашек). Во избежание заметного уменьшения чувствительности прибора к мягкому ионизирующему излучению в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, нужно сделать вырез 10х65 мм, который затем можно перекрыть редкой решеткой.
Конечно, далеко не все из вышеперечисленного является строго обязательным. Резисторы типа МЛТ можно заменить на другие такого же размера. В качестве VT3, VT4 могут быть взяты практически любые n-p-n транзисторы. Если их усиление по току будет невелико, потребуется, возможно, несколько уменьшить сопротивление резисторов R9 и R10.
Возможна и даже желательна замена люминесцентных индикаторов ИВ3 на ИВ3А, имеющие меньший ток накала.
Не является незаменимым и счетчик СБМ20. Пригодны любые 400-вольтные счетчики Гейгера, имеющие фоновую активность Nф@24 имп/мин. В этом случае в схему прибора не потребуется вносить никаких изменений. Если же Nф будет иным, то между выходами 1, 2, 4, 8 и 16 счетчика DD3 и входом счетчика-накопителя нужно включить диодно-резисторный дешифратор, в котором установкой соответствующих диодов должно быть набрано число, возможно более близкое к 0,65 Nф. На фрагменте схемы (рис. 76) показано, как это сделать для Nф=I6. Здесь 0,65 Nф@11, что в двоичном коде и набрано в дешифраторе. На печатной плате предусмотрено место для установки диодно-резисторного дешифратора.
Рис. 76. Дешифратор для коррекции Nф {Nф=16)
Возможен и другой путь: требуемое Nф может быть получено параллельным включением нескольких малочувствительных счетчиков Гейгера. Подойдет, например, «батарея» из пяти счетчиков СБМ10 или СБМ21.
Параметры наиболее подходящих для бытовых дозиметров счетчиков Гейгера приведены в приложении 4.
Таблица 12
| Напряжение питания, В | 9,0 | 8,0 | 7,0 | 6,0 | 5,6 |
| Скорость счета, ед. Nф | 35,8 | 34,2 | 34,0 | 32,8 | 32,8 |
Светодиод HL1, включающийся при переполнении счетчика-накопителя, т.е. при очень высоком уровне ионизирующего излучения, должен быть красным и возможно более ярким: АЛ307КМ, АЛ307ЛМ и др.
Параметры трансформатора Т1 выбраны так, что при разряде батареи питания напряжение на счетчике Гейгера остается в пределах плато счетной характеристики. Таблица 12 демонстрирует зависимость скорости счета от напряжении питания прибора при неизменной активности источника радиации.
В таблице 13 показана зависимость потребляемого прибором тока от напряжения источника питания.
Масса прибора с батареей «Корунд» - 225 г.
Табло счетчика-накопителя может быть выполнено и на жидко-кристаллических индикаторах. Принципиальная схема этого узла с табло типа ИЖЦ5-4/8 показана на рис. 77.
Поскольку в табло ИЖЦ5-4/8 четыре разряда, счетчик «тысяч» выполнен здесь аналогично предыдущим - на десятичном счетчике К176ИЕ4.
В дозиметре с ЖКИ не нужен, конечно, блок формирования напряжения накала. Поэтому элементы VT3, VT4, Т2, R9, R10 могут быть удалены, a DD9.1 и DD9.2 использованы по другому назначению (в противном случае их входы нужно соединить с «землей» или с «+» источника питания).
Таблица 13
| Режим | Потребляемый ток, мА, при напряжении питания, В | |||
| 9.0 | 8,0 | 7,0 | 6,0 | |
| Счет при N@Nф. | 0,82 | 0,66 | 0,53 | 0,42 |
| Счет при N@130Nф | 1,20 | 0,95 | 0,75 | 0,60 |
| Индикация | 23,5 | 21,0 | 18,5 | 16,0 |
Рис. 77. ЖКИ табло для дозиметра
Счетчик DD7 может быть сохранен, но лишь для формирования сигнала тревоги: при появлении на табло «8000» - уровня радиации, в 8000 раз превышающего уровень естественного радиационного фона, - он включит тревожную звуковую и световую сигнализации.
Еще одна особенность ЖКИ - сигнал на его сегменте должен иметь форму меандра. Сегмент становится заметным (черным), если его меандр находится в противофазе с меандром подложки ЖКИ (выводы 1 и 34), и остается фоновым, не выделенным, если их фазы совпадают. Счетчик К176ИЕ4 формирует на своих выходах меандры «единичной» и «нулевой» фазы, если на его вход S (выв. 6) подан опорный меандр с частотой следования несколько десятков или сотен герц. Можно, например, подключить входы S всех четырех счетчиков к выходу F (частота 1024 Гц) счетчика QD1.
Энергоэкономичность дозиметра с жидкокристаллическим табло будет, конечно, значительно выше, нежели с люминесцентным.
*) Homo sapiens - один из самых чувствительных к ионизирующей радиации биологических видов. Летальная доза для человека - 600 рентген.
**) Естественный радиационный фон в качестве своего рода тест-генератора дает возможность прокалибровать бытовой дозиметрический прибор, в том числе и самодельный, не прибегая к помощи каких-либо служб. Эта нестрогая единица позволила в свое время легализовать самодельные дозиметрические приборы.
***) Некоторая часть N. должна быть отнесена к самому счетчику, в частности, к воздействию на него радиоизотопов, входящих непосредственно в его конструкцию. В хороших счетчиках Гейгера эта составляющая N. достаточно мала и в бытовых приборах обычно не учитывается.
Принципиальная схема датчика, непрерывно контролирующего
3.4. Датчик радиации в охранной системе
Принципиальная схема датчика, непрерывно контролирующего радиационную обстановку в районе своего расположения, показана на рис. 78.
Транзистор VT1, импульсный трансформатор Т1 и др. составляют блокинг-генератор, импульсы с повышающей обмотки I которого через диоды VD1, VD2 заряжают конденсатор С1 до напряжения +360...440 В. Этот конденсатор - источник питания счетчика Гейгера BD1. Импульс напряжения, возникающий на аноде BD1 в момент его возбуждения ионизирующей частицей (см. осциллограмму), поступает на вход формирователя (DD1.1, DD1.2 и др.), преобразующего его в «прямоугольный» длительностью R6·C5@1 мс, и затем на вход С счетчика DD2.
Выходом датчика является выход «32» счетчика DD2, на котором сигнал 1 - признак радиационной опасности - возникнет лишь в том случае, если Nт - общее число импульсов, поступивших на С-вход счетчика за время Т, достигнет 32. Поскольку Nт зависит от Nф - средней скорости счета счетчика Гейгера в условиях естественного радиационного фона и DNф - его флуктуаций, возникающих из-за краткости измерений, то длительность измерительного интервала Т должна быть такой, чтобы вероятность появления Nт+DNт=32 в результате какого-либо измерения оказалась бы пренебрежимо малой (по характеру происходящих здесь процессов она не может быть равна нулю).
Рис. 78. Датчик радиации в охранной системе
Так, например, если в счетчике Гейгера, имеющего Nф=20 имп/мин (это устанавливают длительными измерениями), при экспозиции T=1 мин флуктуации DNт max=10, т.е. не выходят из пределов 10 имп/мин (это устанавливают в процессе измерения Nф), то Nт max=20+10<32 и такой датчик не поднимет ложной тревоги.
Может показаться, что измерения можно было бы легко ускорить. Взяв, например, Т=1/2 мин и сделав выходом датчика выход «16» счетчика DD2. Но если «постоянная составляющая» фона в таком случае уменьшится вдвое и составит Nф/2=10, то его флуктуации - лишь в Ц2 раз, до DNт max/Ц2 = 10/Ц2=7. В таком случае Nт max=10+7>16 и такой датчик будет время от времени подавать сигнал радиационной опасности без какого-либо на то основания.
Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Прежде всего - недоверием к нему.
В тех случаях, когда возникает необходимость зафиксировать и кратковременное появление источника радиации (перемещающегося,
Рис. 79. Генератор импульсов сброса к датчику радиации
например, в проходящем мимо автомобиле), берут счетчик Гейгера, обладающий большей радиационной чувствительностью, или используют несколько малочувствительных счетчиков, набрав нужную чувствительность их числом (счетчики Гейгера можно включать параллельно - при низких, фоновых скоростях счета их радиационные чувствительности суммируются).
В приложении 4 приведены основные параметры счетчиков Гейгера отечественного производства, среди которых можно подобрать наиболее подходящий для решения той или иной задачи.
Трансформатор Т1 может быть здесь таким же, как и в «Стороже-Р». Принципиальная схема генератора импульсов, задающих паузу Т на входе R счетчика DD2, показана на рис. 79, а. Хотя в этом, как правило, не возникает необходимости — почти всегда охранная система имеет электронные часы с многоразрядным делителем частоты и сформировать нужную последовательность коротких импульсов можно так, как показано на рис. 79, б.
В автономных приборах непрерывного радиационного
3.5. Экономичный источник питания счетчика Гейгера
В автономных приборах непрерывного радиационного контроля, использующих в качестве датчиков радиации счетчики Гейгера, основным энергопотребителем является устройство, преобразующее невысокое напряжение источника питания прибора в напряжение 360...440 В, соответствующее плато счетной характеристики галогенового счетчика Гейгера (см. приложение 4). Принципиальная схема энергоэкономичного преобразователя напряжений показана на рис. 80.
Рис. 80. Экономичный источник питания счетчика Гейгера
Его основу составляет блокинг-генератор, на выходной обмотке которого формируются короткие (5...10 мкс) импульсы амплитудой около 420 В. Через диоды VD3, VD4 они заряжают конденсатор С4. Этот конденсатор и будет источником питания счетчика Гейгера (напомним, что проводимость счетчика Гейгера в паузе между возбуждениями близка к нулю).
Энергоэкономичность преобразователя обеспечивается тем, что межимпульсная пауза в его блокинг-генераторе задается не собственной времязадающей цепочкой R1C3, как это обычно делается, а одновибратором (DD1.1, DD1.2 и др.), работающим на микротоках [2]. Продолжительность паузы в нем tп@R3·C5 выбирают так, чтобы напряжение на выходе преобразователя в режиме фонового счета было близко к высшему значению напряжения на плато счетной характеристики счетчика Гейгера. (В дальнейшем снижение напряжения на выходе преобразователя, его смещение к другому краю плато будет обязано лишь снижению напряжения источника питания.)
Блокинг-генератор сформирует внеочередной импульс подпитки конденсатора С4, если на входе 2 элемента DD1.2 возникнет провоцирующий ее импульс. Если этот импульс будет возникать при каждом срабатывании счетчика Гейгера, то это позволит удержать напряжение на выходе преобразователя на уровне, не зависящем от скорости счета.
Трансформатор Т1 блокинг-генератора наматывают на ферритовом сердечнике, составленном из двух колец М3000МН 12х8х3 мм. Кольца склеивают, острые их ребра заглаживают наждачной бумагой и весь сердечник обматывают тонкой фторопластовой или лавсановой лентой.
Сначала наматывают обмотку II, она содержит 420 витков провода ПЭВ-2 0,07. Намотку ведут в одну сторону, почти виток к витку, оставляя между ее началом и концом «зазор» 1...1.5 мм. Обмотку II также покрывают слоем изоляции. Далее наматывают обмотку I - 5 витков провода ПЭВШО 0,15...0,2 - и по ней - обмотку III - 2 витка того же провода. Эти обмотки должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее.
Правильная фазировка обмоток трансформатора (точками показаны их синфазные концы) должна быть соблюдена при его монтаже. Экспериментировать с этим не следует - можно сжечь транзистор.
В преобразователе: резисторы Rl, R2 - типа МЛТ-0,125, R3 - КИМ-0,125; конденсатор С1 - любой оксидный, С2, С5 - типа КМ-6 или К10-176, СЗ - К53-30, С4 - К73-9.
Преобразователи такой структуры закрывают, по существу, саму проблему питания счетчиков Гейгера от низковольтных источников: потребляемый таким преобразователем ток уже составляет малую часть тока саморазряда большинства гальванических батарей.
Для обнаружения ионизирующего излучения нередко
3.6. Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения
Для обнаружения ионизирующего излучения нередко используют способность некоторых веществ - сцинтилляторов - делать видимой, светящейся траекторию «простреливающей» их ионизирующей частицы.
Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений имеют определенное преимущество перед счетчиками Гейгера - по амплитуде и длительности вспышки можно судить о типе и энергии породившей ее частицы. Важно и то, что сцинтилляционный счетчик имеет значительно большую эффективность, нежели счетчик Гейгера, фиксирующий обычно лишь одну-две частицы из ста в него попавших.
Конструктивно сцинтилляционный счетчик прост: нужный сцинтиллятор (см. приложение 7) наклеивают на катод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и все это помещают в тщательно изолированный от посторонней подсветки бокс. Остальное - подсчет фотоимпульсов, сортировка их по амплитуде, форме и т.п. - дело обычной электронной техники.
Принципиальная схема фотоголовки сцинтилляционного счетчика приведена на рис. 81, а высоковольтного преобразователя для ее питания - на рис. 82. Напряжение питания ФЭУ - высокое по отношению к «земле» - подают обычно на его катод. Это позволяет связать анодную цепь ФЭУ с электронным анализатором прибора гальванически, учитывать при необходимости и постоянную составляющую его фототока.
Напряжение питания ФЭУ, его распределение между динодами и, соответственно, соотношения номиналов резисторов R2...R13, составляющих динодный делитель, зависят от типа фотоумножителя (см. приложение 6). Здесь мы воспользовались относительно
Рис. 81. Фотоголовка сцинтилляционного детектора ионизирующей радиации
низковольтным ФЭУ-85. Поскольку режим работы ФЭУ в сцинтилляторах бытового назначения близок к «темновому», сопротивления динодных резисторов могут быть и значительно выше рекомендованных (при сохранении пропорций).
Единственная оперативная регулировка в канале - резистор R14 - выполняет очень важную функцию: на компараторе DA1 им задают пороговое напряжение U3-4.
Лишь импульсы, имеющие амплитуду Uимп>U3-4, откроют компаратор и на его выходе (выв. 9) будет сформирован импульс цифрового стандарта.
В автономной, дозиметрической аппаратуре, использующей ФЭУ, возникает проблема их питания. Необходимое ФЭУ высокое напряжение Uфэу (0,8...1 кВ и более), требования к его стабильности (фоточувствительность ФЭУ довольно сильно зависит от напряжения питания; см. приложение 7) предъявляют к устройствам, формирующим это напряжение, довольно жесткие требования.
Рис. 82. Преобразователь для питания ФЭУ
Основу высоковольтного преобразователя, показанного на рис. 82, составляет блокинг-генератор, формирующий на обмотке II трансформатора Т1 импульсы напряжения с амплитудой Uимп@Uфэу. Через диодный столб VD3 они заряжают конденсатор С5, который становится таким образом источником питания фотоумножителя. Пульсации Uфэу (они имею форму «пилы» с временными интервалами между «зубцами» tп@R7·C4) снимает RC-фильтр (С5, R8, С6, R9, С7).
В цепь питания блокинг-генератора введен транзистор VT2, коллекторный ток которого зависит от тока базы, зависящего, в свою очередь, от тока стока полевого транзистора VT3 . Напряжение на затворе этого транзистора зависит от Uфэу, напряжения на стабилитроне VD1 (транзистор VT1 - его токозадающий «резистор») и соотношения «плечей» делителя R3+R4, R6 (резистором R3 выставляют нужное Uфэу ). Легко видеть, что при понижении Uфэу (по абсолютной величине), возникшем по какой-либо дестабилизирующей причине, напряжение питания блокинг-генератора увеличится и воздействие дестабилизирующего фактора будет тем самым в значительной мере компенсировано.
Трансформатор блокинг-генератора наматывают на ферритовом кольце М3000МН 20х12х6 мм. В связи с тем, что этот феррит имеет низкое объемное сопротивление, острые ребра сердечника необходимо загладить и тщательно весь его изолировать; обмотать, например, лавсановой или фторопластовой лентой.
Первой наматывают обмотку II, содержащую 800 витков провода ПЭВ-2 0,07. Намотку ведут в одну сторону, почти виток к витку, оставляя между началом и концом обмотки промежуток 2...3 мм.
Обмотку II также покрывают слоем изоляции. Обмотку I (8 витков ПЭВШО 0,15...0,25) и обмотку III (3 витка тем же проводом) укладывают по сердечнику возможно равномернее.
Фазировка обмоток (точками на Т1 отмечены их синфазные концы) должна быть соблюдена при монтаже трансформатора.
О деталях преобразователя. Резистор R6 - КИМ-0,125, R3 - СП-38А, другие - МЛТ-0,125 и 0,25. Конденсаторы СЗ, С4 - КМ-6 или К10-176; С5 ,С7 - К15-5-Н70 (1,5 кВ) или другие керамические на напряжение не менее 1 кВ; С1 и С2 - любые оксидные. Диодный столб 2Ц111А-1 можно заменить четырьмя последовательно включенными диодами типа КД102А. При каких-либо иных заменах нужно иметь в виду, что диодный столб VD3 не только должен иметь высокое обратное напряжение - не менее Uфэу , но и малый (при этом напряжении) ток утечки - не более 0,1 мкА.
Транзистор блокинг-генератора можно заменить на КТ630В. Здесь определяющим параметром является напряжение насыщения транзистора в импульсном режиме: при токе в импульсе 1...1,5 А - Uкэ нас имп Ј0,3 В. Остаточное напряжение на коллекторе транзистора нетрудно оценить по осциллограмме: по «зазору» между плоской вершиной импульса и линией нулевого потенциала.
Ток, потребляемый высоковольтным преобразователем от источника питания, будет зависеть, конечно, от нагрузки. С двумя описанными здесь сцинтилляционными головками, работавшими в режиме радиационного локатора, он не превышал 16 мА.
