Workshop, mätgivardagar

Induktiv beröringsfri närvarogivare/detektor med oscillator, (Proximity switch)

Om spolar och resonanskretsar

Pot Core

Såväl motstånd som kondensatorer kan vi oftast betrakta som ideala, det vill säga som rena resistanser respektive kapacitanser. Med spolar är det en helt annan sak. Här måste vi specificera induktans, Q-värde, frekvensområde och hur stor ström som ska flyta genom spolen. Det vanliga är därför att man måste beräkna och låta tillverka spolar speciellt för varje tillämpning.

Luftspolars induktans kan beräknas med formler och tabeller ur handböcker. De är rätt mödosamma att använda, och ännu svårare är det att beräkna induktanser med järnkärna.

Det finns speciella ferritkärnor, Pot Core, som är utförda som ett hölje som helt omsluter lindningen (höljet består av två halvor). För sådana finns ett enkelt samband mellan induktans L och antal lindningsvarv N. (Under förutsättning att strömmen i spolen är så låg att ferritkärnan inte mättas).

L = A_L×N ²

A_L -värdet är en konstant som fabrikanten anger för varje typ av kärna.

Spolen lindas på en spolstomme, en bobbin. Det finns bobbiner med plats för flera lindningar så att man även kan linda transformatorer.

Försökutrustningens resonanskrets

Försöksutrustningen består av ena halvan av en Pot Core -kärna. Inuti denna finns en huvudlindning N₁ med 40 varv, och en återkopplingslindning N₂ med 2 varv. Det hela har monterats på ett litet veroboard-kort tillsammans med två kondensatorer.

Huvudlindningen N₁ bildar tillsammans med en kondensator på 820 pF, en resonanskrets med resonansfrekvensen i storleksordningen 1 MHz.

Mätningar på resonanskretsen

Anslut stiften 1 och 2 till 555-tongeneratorn (inställd för fyrkantvåg, hög utspänning, hög frekvens) och Scopemetern. Varje "språng" hos fyrkantvågen ger resonanskretsen en "kick". Med oscilloskopet kan man studera hur många perioder resonanskretsen kan hålla sig svängande efter varje "kick". Ju fler perioder som syns på oscilloskopskärmen, desto bättre Q-värde har LC-kretsen (högt Q-värde innebär låg dämpning och låga förluster).

Tips! Figuren visar hur man kan uppskatta Q-värdet från skärmbilden ( antalet halvperioder N inom tidkonstanten t multiplicerat med p, i blir figuren Q = 9 ).

Pröva med att hålla olika metallföremål nära Pot Core -kärnans öppning. Vad händer? Hur påverkas Q-värdet och förlusterna?

(Beröringsfria närvarogivare utnyttjar det faktum att metallföremål i närheten av en resonanskrets påverkar dess Q-värde.)

Plats för anteckningar, dina kommentarer:

En Pot Core -kärna består normalt av två halvor. Vad händer om Du sätter den andra halvan på plats?

Plats för anteckningar, dina kommentarer:

Glöm inte att stänga av 555-tongeneratorn efter användningen, annars tar batteriet slut!

Om oscillatorkretsen

Figuren visar en transistoroscillator, som brukligt är uppkallas den efter uppfinnaren, Armstrong. (Andra vanligare oscillatorkopplingar kallas för Colpitt och Hartley).

Inställning av transistorns arbetspunkt.

(vi har gjort en kort genomgång av detta avsnitt innan försöket)

En oscillator startar alltid med de likspänningsvärden som kretsen dimensionerats med. Vid beräkningen av denna arbetspunkt förenklar man kretsen genom att bortse från växelspänningsegenskaperna. Spolarna blir "kortslutningar" och kondensatorerna "avbrott" enligt figuren. Detta gäller:

Transistorn är en komponent som förstärker strömmar. En liten ström I_B leder till en 200 ggr (= h₂₁) större ström I_C.
Spänningarna över kretsens resistorer R_C och R_B följer OHM's lag, I_C×R_C respektive I_B×R_B.
Transistorns ingångsspänning U_BE har alltid värdet 0,6 V.

En lämplig arbetspunkt får man om matningspänningen 9 V delas lika mellan R_C och transistorn U_CE, det vill säga 4,5 V över vardera. Med R_C = 2,2 kW och h₂₁ = 200 kan R_B beräknas:

Närmaste standardvärde är R_B = 320 kW.

Svängningsvilkoret

För att en oscillation ska komma till stånd, krävs det förstärkning. Det är när en förstärkares utsignal återföres till ingången utan fasvridning ( det vill säga med 0° eller 360° fasvridning ), som en "självsvängning" kan starta. Det gör den om förstärkningen är så hög att den övervinner all dämpning som kan finnas längs vägen.

Armstrongkopplingens spole är en "transformator". Den växelspänning som finns över resonanskretsen transformeras ned och tillföres transistorns Bas. Under växelspänningens positiva halvperiod förstärker transistorn strömmen, och det är dessa förstärkta strömpulser som håller igång ("kickar") svängningskretsen.

För att få rena sinusformade svängningar måste det också finnas någon motverkande faktor som stryper förstärkningen och förhindrar att spänningen växer okontrollerat.
Hos Armstrongkopplingen är svängningskretsen ansluten till transistorns Emitter. Blir (den positiva) spänningen här för hög, så minskas automatiskt basströmmen genom R_B så att "strömkickarna" blir svagare.

Mätningar på oscillatorkretsen (var inte rädd för att anpassa oscilloskopinställningarna)

Transistoroscillatorn finns uppkopplad på ett kopplingsdäck enligt figuren. Vi använder transistorn BC108 B.

Kontrollera arbetspunkten. Koppla en kortslutningsbygel över resonanskretsen ( mellan stift 1 och 2 ) för att förhindra oscillatorn att starta, och mät därefter spänningen mellan kollektorn och jord (batteriets minuspol), U_C (= U_CE). Scopemetern ska vara inställd för mätning av DCV.

U_CE [V]

Mät spänningen över resonanskretsen ( mellan stift 1 och stift 2, jord ). Ta först bort kortslutningen så att oscillatorn startar. Scopemetern ska vara DC-kopplad. Mät frekvensen, spänningens toppvärde, spänningens bottenvärde och spänningens medelvärde ( = DCV ). Uppskatta spänningens kurvform (borde vara en ren sinus).

f [MHz] U_MAX [V] U_MIN [V] U_DC [V] Kurvform

Pröva med att hålla olika metallföremål nära Pot Core -kärnans öppning. Vad händer?
Vad händer om Du sätter den andra Pot Core halvan på plats?

Mät kollektorspänningen. ( U_C spänningen mellan kollektor och jord, batteriets minusanslutning ). Scopemetern ska vara DC-kopplad. Justera triggnivån så att Du får stillastående skärmbild. Mät spänningens toppvärde, bottenvärde och medelvärde (DCV) med och utan ett metallföremål (50-öring?) på Pot Core -kärnans öppning.

Utan metallföremål Med metallföremål

U_MAX [V] U_MIN [V] U_DC [V] U_MAX [V] U_MIN [V] U_DC [V]

Utan metallföremål	Med metallföremål
U_MAX [V]	U_MIN [V]	U_DC [V]	U_MAX [V]	U_MIN [V]	U_DC [V]

Mät spänningen över kollektormotståndet. Anslut scopemetern över R_C. Det som syns här är strömpulserna (en puls per period) som "kickar" igång svängningskretsen. AC-koppla Scopemetern och mät frekvensen.

f [MHz]

Du får nu ett annat värde än tidigare? Vad kan det bero på? Vilket värde ska man tro på? ( Fundera själv innan du läser svaret )

Oscillatorkretsen med komparator

Kan man använda kollektorspänningen för att indikera närvaron av metallföremål? Vi ansluter OP-förstärkaren LMC6041 som komparator för att jämföra kollektorspänningen med en inställbar referensnivå (från potentiometern). Kollektorspänningen varierar mycket snabbt, för snabbt för att vår OP-förstärkare ska ha någon chans att kunna hänga med, så den kommer att reagera på spänningens medelvärde. Figuren visar hur snabb/långsam OP-förstärkaren är.

Komparatorn (OP-förstärkaren) är uppkopplad på kopplingsdäcket tillsammans med transistoroscillatorn. Du behöver komplettera med en tråd mellen oscillatorn och komparatorn enligt figuren (den "slingrande" tråden).

Justera potentiometern tills lysdioden precis har slocknat (inga metallföremål i närheten vid justeringen).
Hur känslig är Din närvarodetektor, kan den upptäcka en skruvmejselspets?

Ex. Induktiva givare för avkänning av metallföremål

Vanligt utförande som M5, M8, M12, M18 -gängad stång

(Fabrikat Carlo Gavazzi)

Induktiv givare som ersättning för mikrobrytare (= med samma yttermått)

(Fabrikat Crouzet)

Lycka till!

[ Tillbaka ]