Danas je nabavljen mali ručni detektor metala i vodova pod mrežnim naponom skrivenih unutar površine zidova, proizvod njemačke tvrtke Brennenstuhl s početka 1990-tih godina.
Crvena LED svijetli kad je detektiran metal, žuta LED svijetli kad je detektiran vod pod mrežnim naponom. Sklopka za uključenje napajanja je kombinirana sa potenciometrom kojim se namješta osjetljivost detekcije metala.
Tvrtka Brennenstuhl osnovana je 1958. godine te posluje i danas. Težišno proizvodi produžne kablove, različite utičnice i utikače, razvodnike i razvodne kutije sa utičnicama, prenosiva i samostojeća rasvjetna tijela te sličnu električnu opremu uglavnom za privremenu, dodatnu ili vanjsku primjenu u kućanstvima, gradilištima i slično. Od malih elektroničkih uređaja nudi stropne detektore dima i opasnih plinova, programabilne vremenske releje (tajmere) za kućne utičnice, daljinski upravljive utičnice, mjerače vlage, ispitivače faze. Tvrtka Brennenstuhl je kroz razdoblja izbacila na tržište nekoliko tipova građevinskih detektora metala, no čini se da isti više nisu u ponudi.
Danas je tržište prepravljeno različitim jeftinijim i skupljim građevinskim detektorima metala, bakrenih žica, vodova pod naponom, šupljina, drva i sličnih anomalija ispod površine zidova. Odmah moramo reći da je funkcioniranje svih tih uređaja u praksi vrlo nepouzdano i jako ovisi o uvjetima detekcije. U pravilu se bolji rezultati postižu kod gipsanih ploča nego kod klasično ožbukanih zidova, a razlog tome je što su gipsane ploče puno homogenijeg sastava od ciglenih zidova i žbuke.
Naime, detekcijski uređaj s jedne strane treba biti što osjetljiviji da bi mogao detektirati sitne magnetske anomalije što dublje unutar zidova (barem 3-5 cm). No s druge strane, ako je detektor jako osjetljiv onda će reagirati i na nehomogenosti same strukture zida, pogotovo ako isti uz to sadrži određen postotak neravnomjerne vlage. Ukoliko pak detektor nije dovoljno osjetljiv onda neće reagirati na male metalne površine u zidu poput električnih žica. Teško je naći dobar balans detekcije, no kako god namjestili osjetljivost, uvijek će biti teško u potpunosti kompenzirati lažnu detekciju koju može uzrokovati sama struktura zida, a s druge strane i izostanak detekcije svakako nije siguran pokazatelj da na tom mjestu ispod zida nema ničega. Ovi uređaji u nekim slučajevima mogu poslužiti svrsi, no ako se primjerice traži neki električni vod onda bi trebali ostvariti točnu pozitivnu detekciju toga voda na barem metar ili dva dužine uzduž zida, da budemo donekle sigurni da žica baš tuda prolazi.
Ovakvi detektori metala obično imaju jednu ili dvije detektorske zavojnice na feritnom štapu, ovisno o tome koji tip oscilatora se koristi kao detektorski. Ta zavojnica je dio titrajnog kruga detektorskog oscilatora. Strani metalni predmet u blizini te zavojnice imati će dvojaki utjecaj na rad oscilatora: promijeniti će ukupni induktivitet zavojnice i time frekvenciju oscilacija, a također će utjecati i na faktor dobrote zavojnice te će se amplituda (jačina) izlaznih oscilacija smanjiti. Na ove dvije veličine, promjenu frekvencije ili promjenu amplitude oscilacija, reagira detektorski krug sa svjetlosnom, zvučnom, mjernom ili nekom drugom indikacijom.
Kod detekcije promjene frekvencije ili faze moraju se koristiti dva oscilatora, jedan detektorski i jedan referentni. Referentni oscilator radi na stabilnoj fiksnoj frekvenciji, obično na onoj istoj na kojoj radi i detektorski oscilator kada nije poremećen metalnim predmetima. Detektorski krug uspoređuje frekvencije ili faze ta dva oscilatora. Dok oba oscilatora rade na istoj frekvenciji (ili fazi) detektor neće proizvoditi nikakav signal. Čim metalni predmet blizu detektorske zavojnice promijeni frekvenciju (i fazu) detektorskog oscilatora, pojaviti će se razlika frekvencija između detektorskog i referentnog oscilatora koju će detektor na neki način registrirati. Promjene frekvencije mogu biti vrlo male pa oscilatori moraju biti frekvencijski stabilni, a detektorski krugovi osjetljivi na te male promjene.
Obično se u krugu detektora koriste pretvornici frekvencije u napon pa se pomoću komparatora uspoređuje razlika napona ili se koriste frekvencijski mješači (tranzistor ili dioda) nakon kojih slijedi nisko-propusni filtar i pojačalo. Nekada se za metal detektore koristio BFO (beat frequency oscillator) gdje bi razlika frekvencije padala u čujno audio područje što se izravno koristilo za zvučnu indikaciju. BFO oscilatore smo susretali kod mnogih radio i testnih uređaja iz prve polovice prošlog stoljeća (vidi na primjer Mjerač frekvencije BC-221-AC ili Heterodyne Analyzer Type 2010). U samogradnji su se radili vrlo jednostavni metal detektori koji su sadržavali samo detektorski oscilator, a čiji signal (frekvencija) se hvatao na nekom komercijalnom AM prijemniku. Detektorski oscilator i AM prijemnik moraju naravno biti blizu jedan drugome jer oscilator nema veliku izlaznu snagu. Svaki pomak od jednom ugođene frekvencije detektorskog oscilatora uzrokovao bi pojavu šuma, zviždanje ili neku sličnu zvučnu promjenu na zvučniku AM prijemnika.
Kod detekcije promjene amplitude dovoljan je jedan detektorski oscilator. Jasno je da je kod detekcije frekvencije potrebno osigurati frekvencijski što stabilniji rad oba oscilatora, a kod detekcije amplitude pak je potrebno osigurati amplitudno stabilan rad detektorskog oscilatora. Za detektore metala mogu se koristiti gotovo svi tipovi oscilatora realizirani pomoću tranzistora, logičkih integriranih krugova, timera i slično. Također, ovisno o tipu detektora te željenoj indikaciji i detektorski krugovi mogu biti konstruirani na puno različitih načina. No, generalno gledano, svi ti mali ručni detektori metala u konačnici imaju otprilike iste karakteristike jer je kod svih njih i osnovni princip detekcije isti. Ovaj naš detektor Brennenstuhl MS 750 možda izgleda zastarjelo, neatraktivno i jeftino, no možete biti sigurni da radi jednako kao i moderni detektori koji dolaze u lijepim kućištima sa velikim displejima, zvučno-vizualnim indikacijama, opcijama biranja tipa varijacije ispod zidova i slično, što u konačnici više zbunjuje nego ima neku stvarnu praktičnu upotrebljivost.
Za naš detektor Brennenstuhl MS 750 nemamo nikakvih podataka pa smo nacrtali njegovu električnu shemu. Vidimo da se sastoji od dva zasebna detektora.
Beskontaktni detektor prisutnosti mrežnog napona se bazira na integriranom krugu MC14069 (Motorola). Ovaj IC sadrži šest invertera, no u našem slučaju se koristi njih samo dva. Prvi inverter sa pripadajućim RC elementima čini oscilator pravokutnog napona frekvencije 50 Hz. Ovo je vrlo jednostavan tip relaksacijskog oscilatora. Kad se spoji napajanje, ulaz prvog invertera (pin 1) je na logičkoj nuli, pa je izlaz (pin 2) na logičkoj 1. Naponom na izlazu iz prvog invertera preko otpornika R1 puni se kondenzator C1. Kada napon na C1 dosegne prag okidanja logičke 1, promjene se logička stanja na ulazu i izlazu invertera. Sada se kondenzator C1 počinje prazniti preko otpornika R1. Kada se kondenzator isprazni ispod praga okidanja logičke 0, ponovno se promijene logička stanja na ulazu i izlazu invertera. Vremenska konstanta RC elemenata odabrana je tako da se stanja mijenjaju frekvencijom 50 Hz.
Na izlazu iz prvog invertera dodan je promjenjivi otpornik spojen prema masi. Time je moguće smanjiti amplitudu izlaznog signala sve do granice kad ona padne ispod praga okidanja i krug prestane oscilirati. Upravo na tu točku se podešava naš detektor. Oscilacije se toliko priguše da izlazni napon bude premali za paljenje LED diode ili ako je potrebna još manja osjetljivost, izlazni napon se može toliko smanjiti da oscilacije skroz prestanu. Integrirani krug MC14069 izrađen je CMOS tehnici što znači da ulazi invertera imaju vrlo visoku impedanciju, odnosno vrlo veliku osjetljivost. Tako, kad je oscilator podešen na granicu osciliranja, dovoljan je vrlo mali porast ulazne struje frekvencije 50 Hz da ponovno potakne osciliranje. Ova struja se dobiva indukcijom unutar elektromagnetskog polja u blizini nekog mrežnog vodiča pod naponom. Indukcijska površina je u našem slučaju izvedena od vodljivog (grafitnog) premaza nanesenog na prednju (senzorsku) površinu kućišta, no to je mogao biti i nešto duži komadić žice (cca 10 cm) namotan kao mala zavojnica.
Grafitni premaz kao vodljiva površina na kojoj se stvaraju struje uslijed djelovanja elektromagnetskog polja koje zrače vodovi pod mrežnim naponom.
Inače je uobičajeno da se za ovakve beskontaktne detektore mrežnog napona ne koriste oscilatori već samo neka jednostavna dovoljno osjetljiva pojačala (tri li više stupnja tranzistorskih kaskadnih pojačala ili integrirana pojačala). Međutim, oscilatorom od 50 Hz kao u našem slučaju uvelike se smanjuje mogućnost lažne detekcije od raznih drugih vrsta elektromagnetskog zračenja iz električnih uređaja. Naš detektor će tako biti najosjetljiviji upravo na mrežni napon frekvencije 50 Hz. Žuta indikacijska LED preko još jednog bufer invertera (stupanj za odvajanje) i pogonskog tranzistora dobiva pravokutni napon frekvencije 50 Hz, no zbog tromosti oka treperenje LED se ne primjećuje.
Snimak signala iz pobuđenog oscilatora (lijevo) i prigušenog oscilatora (desno).
Detektor metala se bazira na tranzistorskom Colpitts oscilatoru. Iskorištava se pojava smanjenja izlazne amplitude sinusnog napona iz oscilatora kada se zavojnici približi metalni predmet koji poremeti Q-faktor titrajnog kruga. Da bi to funkcioniralo početna amplituda oscilatora kada nema vanjskih utjecaja mora biti donekle stabilna, a u našem slučaju se to postiže stabilizacijom napona napajanja oscilatora na 5 V.
Detektorska zavojnica titrajnog kruga Colpitts oscilatora sastoji se od 60 namota Cu-Lak žice promjera 0,25 mm namotane na feritni štapić duljine 58 mm i promjera 10 mm što daje ukupni induktivitet od 250 µH.
Titrajni krug oscilatora čini zavojnica L1 i kondenzatori C2 i C3. Zavojnica L1 je detektorska i sastoji se od 60 namota Cu-Lak žice promjera 0,25 mm namotane na feritni štapić duljine 58 mm i promjera 10 mm. Ovo daje ukupni induktivitet zavojnice od 250 µH. Izlazne oscilacije su frekvencije cca 200 kHz. Međutim, odmah vidimo da su C2 i C3 bitno različitih vrijednosti kapaciteta što će pomaknuti simetriju pozitivnih i negativnih oscilacija većim dijelom u negativne vrijednosti. Preko visokopropusnog filtra C4-R2 zatim se uklanja istosmjerna komponenta napajanja od sinusnog signala 200 kHz.
Što je amplituda signala iz oscilatora veća, to je više negativnija, pa će drugi tranzistor biti više zatvoren i izlazni signal iz njega manje amplitude. Vrijedi naravno i obrnuto. Tako ćemo bez prisutnosti metala, iz oscilatora imati veliku amplitudu (negativnog) napona, što će rezultirati zatvorenosti tranzistora ili malom amplitudom na izlazu iz slijedećeg tranzistorskog stupnja. Paralelni kondenzator od 330 nF filtrira sinusni napon čime se dobiva njegova trenutna vršna vrijednost. Mala vršna vrijednost napona će malo otvoriti izlazni tranzistor, pa će isti propuštati malu kolektorsku struju, a dioda u tom krugu će slabo svijetliti ili uopće neće svijetliti. Ovdje je umjesto LED diode mogao biti ugrađen i neki mjerni instrument jer LED loše reagira na fine promjene struje.
Sinusni napon iz Colpitts oscilatora frekvencije oko 200 kHz. Vidi se izraziti pomak simetrije u negativno područje (lijevo). Amplitudu ovog napona je moguće podesiti u opsegu 1,6-3,7 Vpp potenciometrom za osjetljivost na kućištu detektora. Desno je snimak smanjene amplitude oscilacija pod djelovanjem metalnog predmeta u blizini zavojnice. Uhvatili smo granično područje gdje je sinusni signal simetričan i ovdje indikacijska LED već počinje blago svijetliti. Daljnim smanjenjem amplitude simetrija sinusnog vala prelazi u težišno pozitivno područje. Također se može uočiti i pomak frekvencije oscilatora sa 198 kHz na 200 kHz s obzirom da metalni predmet također mijenja i induktivitet zavojnice unutar tititrajnog kruga.
Na internetu možete naći na desetke različitih shema za bežičnu detekciju vodova pod naponom i detekciju metala u zidovima. Međutim, vjerojatno nigdje nećete naći shemu sličnu ovoj, odnosno gdje bi se koristio princip detekcije kao kod uređaja Brennenstuhl MS 750. Zato se isplatilo nacrtati električnu shemu i zahvaljujući osciloskopu shvatiti kako otprilike sve to skupa funkcionira. Opet moramo priznati kako je riječ o vrlo promišljenom i posve neuobičajenom dizajnu detektora koji u praksi posve dobro funkcionira i koji nikad ne bi imali priliku upoznati da nismo rastavili ovaj stari uređaj. Za slijedeću objavu ćemo razmotriti jedan moderni uređaj ovog tipa. Nadamo se samo da ćemo u njemu zateći nešto više od mikrokontrolera, displeja i zavojnice 🙂