Detector de Metais PI-Russo Modificado - Análise de funcionameto

 

GERADOR DE PULSOS

Este artigo descreve o funcionameto do Detector de Metais PI-Russo, um dos mais usados pela facilidade de construção e de grande imunidade a interferências.  A desvantagem deste tipo de detector é o fato dele não discriminar o tipo de metal detectado. O gerador de pulso é típico em todos circuitos deste detector, ou seja, tem a função de gerar um pulso de alta potência na bobina rastreadora.

Uma bobina rastreadora deve ter uma indutância em torno de 350 a 450 uH e +/- 2 ohm de resistência dos fios. Uma bobina de 250 mm de diâmetro deve ter 22 espiras de fio 0,40 mm de diâmetro, uma resistência de 2,3 ohms e 380 uH de indutância. No final deste artigo vou deixar uma tabela de bobinas para vários diâmetros e formatos.

Gerador de pulsos

O gerador de pulsos utiliza um 555 como oscilador astável, gerando uma frequência entre 90 e 120 Hz e um pulso negativo com largura de 4% do período total. Para que este pulso possa chavear o mosfet que necessita de um pulso positivo, é usado o transistor T1 que faz a inversão. Os resistores R4 e R5 dividem este pulso, fornecendo uma tensão segura no gate do mosfet.

O pulso faz o mosfet saturar e carrega a bobina com uma corrente alta, limitada pela resistência da bobina. Esta corrente será alta, sendo dada pela tensão de alimentação dividida pela resistência da bobina, da resistência dos fios e a resistência de saturação do mosfet. Quando o mosfet abre o circuito, gera um pico de tensão enorme (Fcem), com mais de 900V. O resistor R6 colocado em paralelo com a bobina, reduz esta tensão para uns 300V. O mosfet escolhido deve ter uma tensão VDS bem maior para não queimar e também suportar uma corrente de pico de pelo menos uns 3,5 A.

Este pulso gera uma campo magnético que entra na terra e quando encontra uma metal, sofre uma deformação e retorna para a bobina. Como a tensão da bobina é muita alta para trabalhar com circuitos integrados, ela é reduzida pelo resistor R7 e os dois diodos em anti-paralelo D1 e D2. Este sinal grampeado é enviado para o ccto de tratamento do sinal pelo capacitor C5.

TRATAMENTO DO SINAL DE RETORNO

Tratamento do sinal de retorno capturado

Este sinal é amplificado pelo IC-2, passa pelos potenciômetros de ajustes e entram em IC-2 que funciona como um comparador. O capacitor C7 tem uma função importante no circuito, ele descarrega mais quando na proximidade com um metal e com isso, diminui a distância entre as tensão de comparação, causando o alargamento do pulso de saída. Ou seja, quanto mais próximo de um metal, mais largo será o pulso na saída e portanto, será ouvido mais clicks que são enviados ao alto falante. Na versão original deste detector você ouvira mais ou menos clicks no alto falante.

Modificação na saída para o alto falante

Nesta versão coloquei outro 555 (IC-3) funcionando como oscilador de áudio, cuja frequência pode variar de alguns hertz até uns 2.5 khz. A frequência é determinada pelos resistores R18, R19 e o transistor do opto-acoplador. Quando a bobina rastreadora está longe de algum metal, não vai aparecer pulsos na saída do comparador e o opto não será polarizado, portanto o oscilador não funciona. A medida que a bobina rastreadora se aproxima de um metal, os pulsos na saída do comparador vão alargando e o diodo do opto vai receber mais corrente, aumentando o acoplamento e diminuindo a resistência do seu transistor de saída. Isso aumenta a frequência do oscilador.

A fórmula da frequência do oscilador astável é F= [1,45 / (12k + Ropto + 2 x 27k) x 10nF].  Como se pode ver, o resistor do opto tem grande influencia na frequência. Quando o transistor do opto saturar, será atingido o maior valor de oscilação, por volta de 2.5 khz. Resumindo, quanto mais próximo de um metal a bobina rastreadora estiver, maior será a frequência de áudio no alto falante.

Sensor de bateria descarregada

O equipamento é alimentado por um conjunto de 3 baterias de Lítio 18650 que fornecem 11 volts. A tensão de 8,25V  indica que as baterias estão descarregadas. Foi utilizado um pequeno circuito com o TL431, usado no modo comparador para monitorar o estado das baterias. Os resistores R8 e R9 dividem esta tensão e quando ela for menor que 2,5V (Vref), apaga o Led

Alguns dados sobre detectores por pulso

Em geral pode-se dizer que a profundidade teórica máxima da detecção de uma bobina é de cinco vezes o seu diâmetro e o tamanho mínimo de um objeto detectado com uma bobina é cinco por cento do seu diâmetro. Então uma bobina com o diâmetro de 23cm alcançaria 1,15 metros e detectaria um objeto com um tamanho maior que 1,15cm, teoricamente.

Amostra do som ao aproximar de um metal

Um pouco de matemática

Exemplo:

Tensão de alimentação: 11V

Resistência da  bobina: 3,75 ohms (resistencia do fio, Ron do mosfet, fiação e etc)

Resistência de amortecimento:  R6 = 220 ohm

Ipico = 11/ 3,75 = 2,9A

Vcem = 2,9 x 220 ohm = 638 Volts (tensão gerada quando o mosfet abre)

Tabela para construção de bobinas

Cg.

Modified PI-Russian metal detector

Detector de metais PI-Russo modificado

Este circuito é o detector de metais  PI-Russo com pequenas modificações.

O circuito original gera clicks que variam conforme a bobina rastreadora se aproxima de algum metal. Neste circuito foi introduzido o CI U4 e U3 para gerar um som variável no lugar dos clicks.
O circuito integrado U4 é um 555 que funciona no modo astável que tem sua frequência controlada pelo opto acoplador U3. Quando a bobina rastreadora se aproxima de um metal, o U2-B gera pulsos que são enviados ao opto acoplador. O transistor, na saída do opto satura e coloca o 555 em operação e descarrega C11. Entre um pulso e outro, C11 começa a carregar e a tensão na entrada threshold do 555 sobe causando a variação na frequência do oscilador de 200Hz a 2500Hz.
O zener programável, U5 (TL431) é usado como comparador e monitora a tensão da bateria de 9v que alimenta o circuito. Quando a tensão cai abaixo de 7,6V, o led acende indicando bateria fraca.