Людям со слабым слухом будут полезны две электрические схемы, рассматриваемые далее. Если у вас есть родные или просто знакомые люди, которые в силу обстоятельств плохо слышат, помогите им, собрав одно из предлагаемых устройств. Схемы чувствительных усилителей слабых звуковых сигналов мне приходилось встречать в публикациях, кроме того, отечественная промышленность выпускает эффективные слуховые аппараты для инвалидов, однако стоимость их достаточно высока. Схемы, показанные на рис. 3.10 и рис. 3.11, имеют низкую себестоимость элементов. Они не требуют настройки, просты и надежны в эксплуатации и весьма доступны для повторения даже начинающим радиолюбителям.
3.6.1. Особенности и принцип работы устройства
Рассмотрим устройство, показанное на рис. 3.10.
Ток, потребляемый схемой от источника питания в рабочем режиме, при использовании указанных на схеме номиналов элементов — 10 мА. Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов обеспечивает большой коэффициент усиления по току. Устройство сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В и может практически эксплуатироваться в таком режиме минимального питания с двумя пальчиковыми батарейками. Тогда ток, потребляемый схемой, еще более сократится, а резистор R4 следует вовсе исключить из схемы. Верхний предел напряжения питания, при котором усилитель работает без перегрузок +12 В, в этом случае сопротивление резистора R4 следует увеличить до 330–360 Ом.
Эффективная чувствительность устройства определяющим образом зависит от чувствительности микрофона и режима работы самого усилителя. Микрофон в схеме применен электретный (конденсаторный), какие стоят в современных телефонных аппаратах и старых магнитофонах. Хорошие результаты получаются при использовании в качестве микрофона В1 микрофона типа МКЭ-84, кроме того, можно применять и МКЭ-3. Возможно имеет смысл попробовать и другие типы электретных микрофонов, тогда, наверное, удастся найти наиболее эффективный вариант.
Эта схема обеспечивает громкую надежную речь в наушнике на расстоянии 7–8 м (при максимальном усилении и минимальном питании). В качестве наушника применен капсюль-наушник ТМ-4, подойдет и ТМ-2М. Можно использовать ДЭМШ, но его неудобно вставлять в ухо, или другие любые динамические наушники с эквивалентным сопротивлением от 100 Ом.
Операционный усилитель работает в режиме автоматической регулировки усиления, что позволяет максимально усиливать полезный сигнал, не допуская самовозбуждения. Делитель на R2, R3 обеспечивает заданный режим по постоянному току, резистор R6 регулирует оптимальный уровень усиленного сигнала. Его придется незначительно скорректировать при изменении напряжения питания относительно указанного на схеме. Собственно, на этом вся регулировка и заканчивается. При исправных элементах и правильном монтаже устройство работает сразу.
Схема успешно работает в качестве устройства контроля и поиска скрытой электрической проводки и телефонных проводов. При помещении катушки рядом с проводами телефонной линии можно контролировать ее состояние. На вход ОУ (вместо микрофона В1) в этом случае можно подключить катушку на ферромагнитном сердечнике типа НМ1500 диаметром 6–8 мм с намотанными внавал 400 витками провода 0,1–0,15 мм. Одним концом к общему проводу, другим к отрицательному выводу конденсатора С1, резистор R3 в этом случае надо исключить.
3.6.2. Устройство микрофонного датчика для работы с наушниками и электретным микрофоном
На рис. 3.11 показана схема, предназначенная для работы с наушниками и электретным микрофоном.
Устройство собрано на однотипных операционных усилителях микросхемы LM387. По сравнению с описанным ранее устройством, такая разработка еще более эффективна по степени усиления слабого входного сигнала и может без доработок использоваться в качестве слухового аппарата и подслушивающего устройства. Отличительным свойством данного устройства является акустическая помехоустойчивость — не восприимчивость к сигналам фона переменного напряжения, которые излучают расположенные вдоль стен квартир электрические сетевые провода. В схеме не предусмотрена ручная регулировка усиления, т. к. с указанными номиналами элементов устройство надежно работает в оптимальном режиме.
Настройка усилителя не нужна.
При необходимости к выходу микрофонного усилителя можно подключать звукозаписывающий аппарат (магнитофон) и более мощный усилитель. Место подключения — точка А.
В качестве микрофона В1 использован электретный микрофон типа МКЭ-31, в качестве наушников — телефонные капсюли ТМ-4, ТМ-2М или аналогичные с суммарным сопротивлением не менее 80 Ом. Стабилизированное напряжение питания схемы от 5 до 9 В. Наилучшие результаты получены при питании от 4-пальчиковых батареек по 1,5 В. Потребление тока в активном режиме 12 мА. Конденсаторы-фильтры по питанию С7 и С8 устанавливаются непосредственно у выводов микросхемы. Для устранения эффекта акустического самовозбуждения усилителя наушники следует на гибком проводе удалить от микрофона и общей схемы. В случае применения устройства для подслушивания — наоборот, вынести на гибких (экранированных) проводах не более 1 м электретный микрофон в сторону источника слабого звука, предварительно обернув В1 картонным или металлическим рупором для улавливания, фокусировки и концентрации звуковых колебаний.
3.7. Универсальный датчик сотрясения
Среди многочисленных датчиков состояния встречаются всевозможные приборы, поражающие подчас своими конструктивными особенностями. Однако при разработке датчиков учитываются, как правило, более прозаические параметры, такие как компактность, высокая чувствительность, надежность (большое время наработки до отказа), минимальное наличие механических частей, универсальность в применении, работа в широком диапазоне температур и напряжения питания, отсутствие помех для других узлов устройства, минимальное потребление тока и др. Еще одна электрическая схема из серии датчиков воздействия — устройство датчика сотрясения — представлена на рис. 3.12.
Ее особенность 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 или 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 по середине свободного хода внутри каркаса. Напротив катушки L1 на расстоянии 1…2 мм располагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размерами 4^9 мм на специальных подвесках из эластичной резины так, чтобы феррит при сотрясении вибрировал на свободном расстоянии 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 максимальная.
При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле и ток, протекающий через катушку L1, носит постоянный характер и составляет доли микроампер. Оксидный конденсатор С1 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 (U^) присутствует напряжение (разность потенциалов), близкое к напряжению источника питания.
3.7.1. Особенности устройства
Выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнительными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать также, используя +UП и Uвых. Тогда в спокойном состоянии датчика напряжение на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздействии принимать значения, близкие по напряжению к напряжению источника питания (12 В). Метод подключения выходных контактов выбирается самостоятельно при каждом конкретном случае. Если в дополнительных исполнительных узлах необходимости нет, то 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 возможно длительный характер работы 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 кратковременно создается ЭДС электромагнитной индукции и возникает ток и напряжение в несколько десятков микровольт. Скачок напряжения (импульс) беспрепятственно пропускает оксидный конденсатор С1 и через ограничительный резистор R2 он попадает на вход компаратора DA1.
Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из элементов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже такого минимального сигнала, вносящего 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 С4. Он включен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку выключения узла (на 2–3 сек), иначе включение нагрузки будет напоминать дребезг контактов и носить хаотичный характер. Благодаря наличию оксидного конденсатора С4 транзистор VT1, открывшись от импульса напряжения, закроется только через 2–3 сек после окончания управляющего импульса. Если емкость данного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным при 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 между общим проводом и точкой Uвых соответственно напряжение равно нулю.
В налаживании узел не нуждается. Выпрямительный диод VD2 и ограничительный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и обратного случайного включения Uпит. 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, т. к. 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, данные элементы выполняют защитную роль и позволяют применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях.
3.7.2. Монтаж элементов устройства
Элементы устройства компактно монтируются в пластмассовом корпусе и жестко прикрепляются к контролируемой поверхности. В этом может способствовать моментальный клей или липучка.
Возможности использования рекомендуемого датчика практически не ограничены. Он может являться прототипом датчика удара в автомобилях, работать в составе охранной сигнализации — тогда корпус датчика закрепляют на косяке (дверной коробке) или двери охраняемого помещения и в других аналогичных случаях, когда требуется простой, чувствительный и надежный узел контроля сотрясений и ударов.
3.7.3. О деталях
Кажущаяся сложность в изготовлении датчика и катушки L1 не более чем миф. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении феррита от каркаса L1 на расстоянии до 5 мм датчик уверенно срабатывает от сотрясения и качения феррита вблизи катушки. Это достигается высокой чувствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Кроме указанной на схеме микросхемы можно применить ее полные аналоги LM358, C358C, 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 при подключении выводы микросхемы. Кроме того, в качестве феррита (прямоугольной формы) можно использовать обыкновенный кусочек магнита.
Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 или аналогичный. Выпрямительный диод VD2 заменяют на КД213, КД105, Д202 или аналогичные по электрическим характеристикам с любым буквенным индексом. Остальные диоды типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом. Переменный резистор R1 типа СПО-1, СП3-30В, СП3-12В или подстроечный типа СП5-28В, СП3-1ВБ (оба многооборотные). Главное — при выборе типа этих резисторов в том, чтобы они имели линейную характеристику изменения сопротивления. При необходимости достижения узлом максимальной и нерегулируемой чувствительности 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 фирмы Hitano, ESP, их аналоги, или отечественные типа К50-29, К50-35.
Индикаторный светодиод типа L63SRC, КИПД14А, КИПД-36, L1503SRC–C, КИПД41Б1-М или другие аналогичные с током до 10 мА.
В случае замены резистора R10 на слаботочное электромагнитное реле, рекомендации к выбору последнего такие: FRS1 °C-03, TRU-12VDC-SB-SL, TTI 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.