При разработке датчиков сотрясения, особое внимание уделяется таким параметрам как, компактность, высокая чувствительность, надежность, срок службы, минимальное количество механических частей, универсальность в применении, работоспособность в широком диапазоне температур и напряжения питания и так далее. Одна из практичных электрических схем датчика сотрясения представлена ниже.
Особенность данной схемы заключается в необычном включении микросхемы-компаратора DA1 во взаимодействии с индуктивным датчиком L1. Катушка L1 намотана на круглом пластмассовом каркасе диаметром 8 мм (от резонансных катушек радиоприемника ВЭФ-202 и аналогичных) проводом ПЭЛ-1 диаметром 0,6 мм внавал и содержит 150 витков. Ферритовый сердечник из каркаса не вынимается и перед первым включением схемы располагается в среднем положении свободного хода внутри каркаса. Напротив катушки L1 на расстоянии 1-2 мм располагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размером 4*9 мм на специальных подвесках из эластичной резины так, чтобы феррит при сотрясении свободно вибрировал в пределах расстояния до каркаса катушки L1.
Переменный резистор R1, включенный как регулятор-ограничитель тока, позволяет регулировать чувствительность датчика. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла максимальна.
При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле и ток, протекающий через катушку L1, постоянны, ток составляет доли мкА. Оксидный конденсатор C1 не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход компаратора (вывод 2 DA1). Баланс напряжений между инвертированным и неинвертированным входами компаратора (выводы 1 и 2 DA1) не нарушается, поэтому на выходе компаратора (вывод 7 DA1) присутствует низкий уровень напряжения. Индикатор состояния узла — светодиод HL1 — не светится, и напряжение в базе транзистора VT1 недостаточно для его открывания. Между общим проводом и выходом (Uвых.) присутствует разница потенциалов (напряжение) близкое к напряжению источника питания.
Стоит заметить, что выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнительными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать с точек +Uп и Uвых. Тогда при спокойном состоянии датчика напряжение на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздействии принимать значение, близкое к напряжению источника питания (12 В). Метод подключения выходных контактов выбирается самостоятельно в каждом конкретном случае. Если нет необходимости в дополнительных исполнительных узлах, резистор R10 в цепи коллектора транзистора VT1 заменяют на электромагнитное реле на напряжение 8-12 В с током срабатывания не более 100 мА. При токе срабатывания реле более 100 мА, учитывая возможное длительное пребывание реле во включенном состоянии, потребуется заменить транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, более мощным, например любым из серии КТ815.
При незначительном сотрясении датчика (ферритового сердечника) вблизи катушки L1 в ней наводится ЭДС электромагнитной индукции, в катушке появляются импульсы тока и напряжения в несколько десятков мкВ. Эти импульсы беспрепятственно пропускает оксидный конденсатор C1, и через ограничительный резистор R2 они попадают на вход компаратора DA1.
Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из элементов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже таких микровольтовых сигналов от датчика, вызывающих дисбаланс напряжения на входах микросхемы, оказывается достаточно для срабатывания внутренней схемы сравнения напряжений и появления на выходе компаратора высокого уровня. Напряжение высокого уровня на выводе 7 DA1 включает светодиод HL1, сигнализирующий о воздействии на датчик, проходит через ограничительный резистор R8, детектируется диодом VD3 и через ограничительный резистор R9 поступает в базу транзистора VT1. В момент появления напряжения на выводе 7 микросхемы DA1 заряжается оксидный конденсатор C4. Он включен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку включения узла (на 2-3 с), иначе включение нагрузки будет напоминать дребезг контактов и носить хаотичный характер. Благодаря наличию оксидного конденсатора C4 транзистор VT1, открывшийся от импульса напряжения, закроется только через 2-3 с после окончания управляющего импульса. Если емкость данного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным при решении определенных задачах, стоящих перед радиолюбителем-конструктором, например такая задержка будет уместна, если реле, включенное вместо резистора R10, в свою очередь, будет включать охранную сирену.
Поступившее в базу транзистора VT1 напряжение высокого уровня открывает его и изменяет состояние выхода узла: между положительным выводом источника питания и контактом Uвых теперь присутствует напряжение источника питания, а, соответственно, между общим проводом и точкой Uвых напряжение равно нулю.
В налаживании узел не нуждается. Выпрямительный диод VD2 и ограничительный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и случайного обратного включения Uп. Оксидный конденсатор С3 сглаживает пульсации напряжения. При заведомо исправном и стабилизированном источнике питания, а также при питании данного электронного узла от батарей (аккумуляторов), элементы С3, R7, VD2 можно из схемы исключить, так как устройство работоспособно в диапазоне напряжения питания 7-16 В. Ток потребления в режиме покоя не превышает 5 мА. Однако при использовании устройства в автомобиле и в сочетании с нестабилизированными источниками питания указанные выше элементы выполняют защитную функцию, что позволяет применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях.
Сложность изготовления датчика и катушки L1 — кажущаяся. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении феррита от каркаса L1 на расстояние до 5 мм, датчик уверенно срабатывает от сотрясения и качания кусочка феррита вблизи катушки. Это обеспечивается высокой чувствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Вместо феррита прямоугольной формы можно использовать кусочек обыкновенного магнита.
Кроме указанной на схеме микросхемы, можно применить ее полные аналоги — LM358, С358С, НА17358, а также полные аналоги этого популярного компаратора, выпускающиеся другими фирмами. Отечественные микросхемы-аналоги компаратора — К1401УД5А-К1401УД5Б, К544УД8А-К544УД8Б, КР1040УД1А, КФ1053УД2(А). При применении микросхемы К544УД8А-К544УД8Б чувствительность узла несколько понизится, и придется изменить подключение выводов микросхемы.
Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 или аналогичный. Выпрямительный диод VD2 может быть типа КД213, КД105, Д202 и аналогичного по электрическим характеристикам. Остальные диоды — типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом. Переменный резистор R1 — типа СПО-1, СП3-30В, СП3-1ВБ или подстроечный (типа многооборотных СП5-28В, СП3-1ВБ). Главное при выборе типа этих резисторов в том, чтобы они имели линейную характеристику изменения сопротивления. При необходимости добиться от узла максимальной чувствительности (и когда регулировка не нужна), данный резистор из схемы просто исключают, а средний вывод, показанный на схеме, соединяют с верхним (по схеме) выводом катушки L1. Ограничительный резистор R7 — типа МЛТ-0,5. Все остальные постоянные резисторы — типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы — типа К50-29, К50-35. Индикаторный светодиод — КИПД14А, КИПД-36, КИПД41Б1-М или другие аналогичные с током до 10 мА.
В случае замены резистора R10 на слаботочное электромагнитное реле, рекомендации по выбору элементов такие: FRS10C-03, TRU-12VDC-SB-SL, ТТI TRD-9VDC-FB-CL, Relpol RM85-2011-35-1012, РЭС-22 (исполнение РФ.4.523.023-01) или аналогичное. При выборе реле следует учитывать ток и напряжение коммутации. Все указанные здесь типы реле коммутируют ток до 3 А при напряжении до 250 В.
