6 najlepszych projektów obwodów ultradźwiękowych dla hobbystów i inżynierów

W poście omówiono 6 bardzo przydatnych, ale prostych projektów obwodów nadajnika i odbiornika ultradźwiękowego, które można wykorzystać w wielu kluczowych zastosowaniach, takich jak pilot ultradźwiękowy , alarmy antywłamaniowe, elektroniczne zamki do drzwi oraz do nasłuchiwania częstotliwości w zakresie ultradźwiękowym, które są normalnie niesłyszalne dla ludzkiego ucha.

Wprowadzenie

Wiele komercyjnych gadżetów ultradźwiękowych działa z określoną częstotliwością i wykorzystuje przetworniki, które są przystosowane do osiągania szczytów lub rezonansu przy określonej częstotliwości. Ograniczona przepustowość i cena większości takich przetworników powodują, że stają się one nieodpowiednie do zastosowań hobbystycznych i DIY.

Ale w rzeczywistości to nie jest problem, ponieważ praktycznie każdy głośnik piezoelektryczny może być stosowany zarówno jako przetwornik ultradźwiękowy, w postaci nadajnika, jak i czujnika odbiornika.

Chociaż wydajności głośników piezoelektrycznych nie można porównać z wydajnością specjalistycznego, przemysłowego przetwornika, jako hobby i zabawny projekt mogą one działać doskonale. Urządzenie, które zastosowaliśmy z opisanymi poniżej obwodami, to 33/4-calowy piezoelektryczny głośnik wysokotonowy, który jest dostępny w większości sklepów internetowych.

1) Najprostszy generator ultradźwięków

Rysunek 1 Ten prosty ultradźwięk
generator można zbudować bez większych trudności
i bardzo szybko.

Nasz pierwszy obwód, pokazany na powyższym rysunku, to generator ultradźwięków, który wykorzystuje dobrze znane 555 zegar IC w obwodzie multiwibratora z regulowaną częstotliwością. Konstrukcja generuje sygnał fali prostokątnej, który współpracuje z R2, do strojenia w zakresie częstotliwości od 12 kHz do ponad 50 kHz.

Ten zakres częstotliwości można łatwo regulować, zmieniając wartość kondensatora C1, stosując niższą wartość, co spowoduje zwiększenie zakresu, podczas gdy większa wartość spowoduje, że zakres będzie o wiele mniejszy.

2) Generator ultradźwięków ze stałym 50% cyklem pracy

Następny generator ultradźwięków, pokazany na powyższym rysunku 2, wykorzystuje 6 bramek buforowych pojedynczego bufora odwracającego 4049 CMOS IC.

Kilka buforów, U1a i U1b, można zobaczyć podłączonych w ramach zmiennej częstotliwości astable-oscylator obwód o cyklu pracy 50%, wyjście fali prostokątnej.

Reszta z 4 buforów jest połączona równolegle w celu zwiększenia mocy wyjściowej przez podłączony element piezoelektryczny. Ten znacznie lepszy zakres częstotliwości generatora ultradźwiękowego jest w przybliżeniu podobny do poprzedniej wersji IC 555. Jednak główną zaletą tego projektu jest jego dokładny 50% cykl pracy w całym zakresie częstotliwości.

To powiedziawszy, zakres częstotliwości można zwiększyć, obniżając wartość kondensatora C1, a częstotliwość można zmniejszyć, stosując wyższe wartości C1. Potencjometr 100k wraz z rezystorem R3 ustala częstotliwość wyjściową.

3) Generator ultradźwięków PLL

Dokładny i mocny obwód generatora ultradźwiękowego wykorzystujący układ scalony PLL LM567 i wyjściowy sterownik piezoelektryczny typu push-pull

Plik Układ scalony LM567 z pętlą fazową (PLL) jest używany do generowania częstotliwości ultradźwiękowej w naszej trzeciej koncepcji, jak pokazano na powyższym rysunku 3. Ten obwód zapewnia szereg funkcji lepszych niż poprzednie dwie koncepcje ultradźwiękowe.

Po pierwsze, wbudowany oscylator IC 567 został opracowany do pracy w niewiarygodnie szerokim spektrum częstotliwości, od poniżej 1 Hz do nawet 500 kHz. Kształt fali wyjściowej generatora, na styku 5, wykazuje wyjątkową symetrię w całym zakresie wydajności.

Generator dodatkowo zapewnia zwiększoną moc wyjściową w porównaniu do pozostałych dwóch obwodów, dzięki czemu moc wyjściowa jest bardzo zbliżona do impedancji piezoelektrycznego głośnika wysokotonowego (SPKR1).

Sygnał wyjściowy obwodu można było podkręcić od około 10 kHz do ponad 100 kHz współpraca z potencjometrem R5. Tranzystor Q1 jest podłączony jak wspólny obwód kolektora, aby utrzymać wyjście 567 z dala, a także sterować obwodem wzmacniacza wyjściowego, który jest tworzony przy użyciu tranzystorów Q2 i Q3. Obwód można zmienić w nadajnik ultradźwiękowy CW przez przerwanie połączenia pin 7 układu scalonego i włożenie klucza przełącznika szeregowo.

W takim przypadku będziesz potrzebować jakiegoś odbiornika ultradźwiękowego, aby usłyszeć sygnały i to jest dokładnie to, co omówimy w naszym następnym obwodzie.

4) Obwody odbiornika ultradźwiękowego

Ten przestrajalny odbiornik ultradźwięków IC 567 można sparować z
wyjaśnił nadajnik ultradźwiękowy LM 567, aby uzyskać najlepsze wyniki.

Na powyższym schemacie pokazano obwód odbiornika ultradźwiękowego wykorzystujący układ scalony 567 PLL, który ma możliwość dostrojenia częstotliwości. Obwód przestrajalnego oscylatora układu scalonego jest identyczny jak wcześniejszy obwód generatora i obsługuje dokładnie ten sam zakres częstotliwości. Dioda LED jest umieszczona na pinie 8 detektora układu scalonego, co szybko wskazuje wykryte sygnały.

Tranzystor Q1 jest ustawiony tak, aby wzmacniać drobne sygnały ultradźwiękowe wykrywane przez urządzenie piezoelektryczne i przesyłać je do PLL.

Jak testować

Aby przetestować działanie ultradźwięków, włącz obwód generatora ultradźwiękowego IC 567 i przesuwaj piezoelektryczny nadajnik po całym obszarze. Rozpoczynając od ustawienia minimalnego, dostrajaj R5 krok po kroku, aż nie będziesz w stanie niczego słuchać z głośnika. Powinno to ustalić częstotliwość wyjściową obwodu w przybliżeniu na 16 i 20 kHz, w zależności od wrażliwości ucha na wysokie częstotliwości.

Teraz włącz obwód odbiornika ultradźwiękowego i umieść jego przetwornik piezoelektryczny w odległości około 12 cali od głośnika generatora, mimo że jest skierowany dokładnie w tym samym kierunku. Ustaw odbiornik przez R5, zaczynając od punktu minimalnej częstotliwości (który odpowiada maksymalnemu zakresowi rezystancji potencjometru) i stopniowo zwiększaj częstotliwość, aż zobaczysz, że dioda LED odbiornika właśnie się świeci.

Jeśli zauważysz, że odbiornik nie reaguje na sygnały wyjściowe nadajnika, spróbuj precyzyjnie wycelować piezoelektryczny odbiornik w głośnik generatora i rób to wytrwale. Gdy tylko odbiornik wykryje sygnał i zaświeci się dioda LED, odsuń dwa piezoelektryczne Tx / Rx o minimum dziesięć stóp i ponownie rozpocznij dostrajanie.

Gdy stwierdzisz, że wszystko działa zadowalająco, możesz skorzystać z klucza telegraficznego dołączonego do nadajnika (opcjonalnie na pinie 7) i sprawdzić reakcję diody LED na odbiorniku.

Dioda LED musi na to zareagować, migając w stylu kropki i kreski, tak jak został naciśnięty przez ciebie za pomocą klawisza telegraficznego. Dodatkowym zastosowaniem tego zestawu generator / odbiornik ultradźwięków może być prosty czujnik antywłamaniowy.

Podłącz przekaźnik 5 V do pinu 8 LM567 odbiornika i dodatniego bieguna akumulatora. Ułóż urządzenia piezoelektryczne Tx i Rx w odległości około stopy od siebie i skupione na tej samej ścieżce, ale z dala od pobliskich obiektów.

Jeśli osoba znajdzie się w pobliżu i przed parą głośników, częstotliwość ultradźwięków zostanie odbita z powrotem, powodując włączenie przekaźnika odbiornika. Styki wyjściowe przekaźnika mogą służyć do włączania alarmu lub sygnalizatora.

5) Bardzo czuły obwód odbiornika ultradźwiękowego

Ostatni projekt obwodu odbiornika ultradźwiękowego jest w rzeczywistości niezwykle czułym odbiornikiem ultradźwiękowym, który może z łatwością odebrać prawie wszystko w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych. Możesz posłuchać komunikacji owadów, nietoperzy, silników itp. Pomysł można również wykorzystać w połączeniu z opisanymi powyżej generatorami ultradźwiękowymi do tworzenia wysokiej jakości systemów ultradźwiękowych.

Projekt działa na zasadzie bezpośredniej konwersji. Tranzystory Q1 i Q2 wzmacniają sygnały ultradźwiękowe wykrywane przez głośnik piezoelektryczny. Wyjście kolektora Q2 jest następnie używane do sterowania wejściem JFET (Q3), które można zobaczyć jako podłączone jak obwód detektora produktu.

Stopień PLL (U1) w tej koncepcji jest wykorzystywany jako przestrajalny oscylator heterodynowy, który dodatkowo zasila wejście obwodu detektora JFET. Przychodzący sygnał ultradźwiękowy łączy się z częstotliwością heterodynowego oscylatora generując sumę i różnicę częstotliwości.

Element o wysokiej częstotliwości jest odfiltrowywany przez sieć komponentów C3, R8 i C6. Resztkowe wyjście niskiej częstotliwości może wejść przez wejście wzmacniacza audio LM386. Do wyjścia audio obwodu można podłączyć głośnik lub słuchawki.

6) Kolejny obwód odbiornika ultradźwiękowego do słuchania dźwięków powyżej zakresu 20 kHz

Zakres wykrywania częstotliwości naszego ucha wynosi zaledwie 13 kHz. Zadaniem detektora ultradźwiękowego jest pokonanie tego ograniczenia poprzez przełączanie częstotliwości dźwięków o wysokiej częstotliwości, na przykład gwizdów psów, ledwo słyszalnych wycieków gazu, piszczenie nietoperza i kilka sztucznych dźwięków ultradźwiękowych, na przykład lekkie stukanie w gazetę.

„Ultradźwięki” wykrywane przez przetwornik wejściowy są wzmacniane i podawane do detektora produktu. Uwzględniono stabilny multiwibrator, ponieważ stabilność BFO może nie mieć większego znaczenia. Poza wymaganą różnicą sygnału, obwód dodatkowo generuje sam sygnał BFO oraz częstotliwość sumującą, która jest następnie zakańczana wewnątrz filtru dolnoprzepustowego ustalonego na 4 kHz.

Powstający tutaj sygnał jest po raz kolejny wzmacniany do obsługi zestawu słuchawkowego. Obwód pracuje z około 8 miliamperami, dlatego można go łatwo zasilać z suchej baterii 9 V.