Электронный силомер

Садишься за стол лицом к противнику. Локти — на столешнице, руки сцеплены словно в рукопожатии. Теперь по команде надо отжать руку противника, пригнуть ее к столу... Кто не участвовал в подобном состязании? Наверное, таковых не найдется. Предлагаем силачам побороться теперь с необычным соперником — автоматом. Заметим, что противник это не только достойный, он еще поможет узнать вашу силу в точном цифровом выражении. Одним словом, электроника! Разберемся, как она устроена.

Самый важный элемент автомата — емкостный датчик Е1 (рис. 1 и 2). Через резистор R1 он подключен ко входу двухкаскадного низкочастотного усилителя, собранного на транзисторах VT1 и VT2. Они включены по схеме с общим эмиттером и непосредственной связью между каскадами. На выходе усилителя установлен однополупериодный выпрямитель переменного тока низкой частоты, собранный на диоде VD2 и конденсаторе С1. С выходом выпрямителя соединена база транзистора VT3, который также включен по схеме с общим эмиттером. Он работает в режиме усиления постоянного тока и выполняет роль оконечного каскада. Нагрузкой транзистора VT3 служит миллиамперметр постоянного тока РА1. Питается устройство от батареи GB1 напряжением 12...15 В. Резисторы R3, R5 и R6 образуют делитель напряжения, a R2, R4 и R7 задают необходимый режим работы транзисторов VT1—VT3. Кроме того, переменным резистором R2 можно регулировать чувствительность прибора. Стабилитрон VD1 поддерживает постоянным напряжение питания, которое в отсутствие VD1 будет уменьшаться по мере разрядки батареи GB1. Диод VD3 защищает оконечный каскад устройства от индуктивных выбросов напряжения катушкой миллиамперметра РА1.

Теперь проследим, как все работает. В исходном состоянии после включения питания тумблером SA1 транзисторы VT1 и VT3 закрыты, a VT2 открыт. При этом ток в цепи коллектора VT3 отсутствует и стрелка миллиамперметра РА1 стоит на нулевой отметке.

Что будет происходить дальше? Прежде чем продолжить рассказ, напомним, что тело человека — своеобразная антенна, улавливающая электромагнитные волны различных частот. На нас оказывает воздействие электромагнитное излучение работающих электроприборов, даже сетевой электропроводки. Величина наведенного переменного напряжения с частотой 50 Гц может достигать нескольких вольт. Для здоровья оно абсолютно безопасно. Но его можно использовать для управления так называемыми сенсорными устройствами. Наш игровой автомат как раз относится к этому типу приборов.

Достаточно поднести ладонь к емкостному датчику Е1, как он уловит наведенное на тело переменное напряжение. Далее сигнал поступит на вход низкочастотного усилителя, транзисторы которого VT1 и VT2 работают в противофазе. Когда на базе транзистора VT1 окажется положительная полуволна напряжения, он открывается, a VT2 — наоборот, закроется. При изменении полярности входного сигнала закрывается транзистор VT1, а открывается VT2. Усиленный сигнал снимается с коллектора VT2, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается конденсатором С1. Далее постоянное напряжение поступает на базу транзистора VT3. Он открывается, и в катушке миллиамперметра РА1 возникает электрический ток, который вызывает отклонение стрелки прибора. Если же руку от емкостного датчика Е1 убрать, сигнал на входе низкочастотного усилителя пропадет, все вернется в исходное состояние, а стрелка миллиамперметра РА1 вновь установится на нулевой отметке.

Представим теперь, что существует некое препятствие, мешающее нам близко поднести руку к емкостному датчику Е1. И чтобы преодолеть эту преграду, нужно приложить достаточное усилие. Чем сильнее рука, тем ближе удастся приблизить ее к датчику. При этом на разном расстоянии емкость датчика относительно руки будет разной. Чем ближе рука — тем больше и наоборот. Понятно, что от расстояния зависит и величина напряжения. Чем она больше, тем заметнее отклонение стрелки миллиамперметра РА1. Таким образом мы установили прямую зависимость между физическими данными соревнующегося и показаниями измерительного прибора.

Конструкция позволяет сделать индикацию и на обычной накальной лампе (рис. 3-а) или подключить к выходному каскаду устройства реле (рис. 3-б), контакты которого будут включать световое табло. Тогда автомат станет реагировать на преодоление определенного рубежа силового сопротивления.

Поясним на примере.

Предположим, вы установили переменным резистором R2 такую чувствительность низкочастотного усилителя, когда реле К1 станет срабатывать при расстоянии между емкостным датчиком Е1 и ладонью не более 1 см. «Недожали» — реле К1 не сработает, значит, вы проиграли. Хватило сил преодолеть рубеж — вы победитель. Об этом известит включившееся световое табло.

А теперь пора рассказать об устройстве самого препятствия, «Изюминка» силомера — в его механике. Посмотрите на рис. 1.

Как видите, основанием прибора служит подставка, внутри которой размещены тумблер SA1, переменный резистор R2, миллиамперметр РА1 и батарея питания GB1. Корпус с механической начинкой и платой крепится к подставке металлической стойкой. Роль емкостного датчика Е1 выполняет изогнутая в виде дуги металлическая пластина размерами 100х220х1 мм. К ней пластмассовой заклепкой прикреплена изоляционная пластина размером 100х200 мм и толщиной 2...5 мм. Кроме того, пластина четырьмя винтами соединяется с корпусом. Чтобы она могла свободно перемещаться, отверстия под них в пластине сделаны чуть больше. А четыре пружины, насаженные на винты, создают требуемое противодействие движению.

Все элементы силомера располагают на монтажной плате размером 50x20 мм, выполненной из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1...2 мм (см. рис. 4).

В схеме можно использовать следующие детали. Транзисторы VT1, VT2 — КТ315 с любым буквенным индексом, транзистор VT3 — из серии КТ601—КТ603, КТ608, КТ801. Диоды VD2, VD3— Д2, Д9, Д18, стабилитрон VD1 — на напряжение стабилизации 9...11 В, например, Д809, Д810, Д811, Д814В, Д818. Постоянные резисторы — типа ВС или ОМЛТ мощностью 0,125 Вт, переменный — СПО-0,5, СП1, СП2. Конденсатор С1 — марки К50-6 или К50-16 на напряжение не менее 10 В. Миллиамперметр постоянного тока РА1 — любого типа, рассчитанный на максимальный ток 5...30 мА. Тумблер SA1 — малогабаритный, например МТ или МТД. Батарея питания GB1 — напряжением 12...15 В. Ее можно составить из трех элементов напряжением по 4,5 В (типа «Планета», «Рубин») или из 8-10 элементов по 1,5 В («Прима», «Орион»). Все соединения платы с выносными элементами выполнены гибким монтажным проводом в хлорвиниловой изоляции.

Механические узлы силомера, и в особенности его корпус, должны быть прочными — ведь им придется выдерживать значительные силовые нагрузки. Поэтому корпус и упор лучше всего изготовить из фанеры или оргстекла толщиной 4...5 мм. Стойку и держатель упора сделайте из алюминиевой или дюралевой трубки с наружным диаметром 20 мм. При сборке монтажные провода, соединяющие плату и выносные элементы подставки, пропустите через стойку-трубку. Емкостный датчик изготовьте из алюминия, а изоляционную пластину — из матового или окрашенного нитроэмалью оргстекла. В центре датчика и пластины просверлите отверстия диаметром 3 мм. Отверстие в пластине раззенкуйте с одной стороны. Приложив датчик к пластине и совместив их отверстия, вставьте в них кусочек пластмассы, а затем расплавьте его паяльником с обеих сторон. Найдите подходящие пружины. Они должны быть достаточно жесткими, чтобы оказывать заметное сопротивление. Покрасьте корпус автомата нитроэмалью или оклейте пленкой. Движок переменного резистора R2 снабдите декоративной ручкой.

Собранный прибор надо наладить. Сначала определите сопротивление резистора R7. Его величину легко рассчитать по формуле R = 10/1, где R — искомое сопротивление резистора R7, а 1 — максимальная величина тока, на который рассчитан измерительный прибор РА1. Подобрав постоянный резистор нужного сопротивления, впаяйте его в плату. Поставьте игровой автомат на стол, уперев в стену, включите тумблер питания SA1. Попросите кого-нибудь из взрослых нажать на изоляционную пластину так, чтобы все пружины полностью сжались. В таком положении, вращая движок переменного резистора R2, добейтесь, чтобы стрелка миллиамперметра установилась на максимальной отметке шкалы. Если это не удается, попробуйте точнее подобрать величину емкости конденсатора С1. Она может быть от 50 до 500 мкФ.

Наладив прибор, можно приступать к состязаниям.

Автор: инженер В. ЯНЦЕВ
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.