Szkoła Konstruktorów – Propozycja rozwiązania zadania 170

MINIATUROWY DETEKTOR POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Nazywam się Adam Buczek i jestem pracownikiem Wydziału Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej. Z zawodu uprawiam fizykę, ale że współcześnie opiera się ona w dużej mierze na elektronice, to również nią się interesuję. Prenumeruję kilka Państwa czasopism (EdW, Elektronik, APA) i od czasu do czasu coś buduję. Ostatnio z moim dyplomantem – panem Dobromiłem Załogą – zainteresowaliśmy się tematem detektora pola elektromagnetycznego pomocnego w eksperymentach i demonstracjach fizycznych. Ponieważ analogiczne zadanie pojawiło się w Szkole Konstruktorów (Zadanie główne 170 EdW 04.2010) postanowiliśmy napisać do Państwa opis naszych „przygód” z projektem.

Projekt i montaż układu

Projektując detektor oparliśmy się na schemacie z artykułu „Sonda w.cz.” z EdW 3/96 str. 49, przedstawiający sobą prosty stopień prostownika – powielacza napięcia, który w wersji symetrycznej pokazano na rysunku „Schem01” (w katalogu „Projekt i montaż ukladu”). Kładziemy nacisk na „symetrię” gdyż skłoniła nas do wyboru specyficznych elementów. W roli diod (D1 i D2) zastosowaliśmy układ BAV99 z oferty Elfy (numer katalogowy 70-181-61). Jest to system dwóch połączonych szeregowo diod Schottky’ego z trzema wyprowadzeniami. Spełniają one rolę węzłów, które na rysunku „Schem01” zaznaczono numerami 2,3,4 a cały układ objęto czerwoną ramką. Diody mają stosowną szybkość (czas regeneracji 6ns) i małą pojemność złącza (rzędu 1pF) co predestynuje je również do detekcji sygnałów wysokich częstotliwości. Obie diody są zamknięte w obudowie SOT23 do montażu powierzchniowego, pokazanej na fotografii „D1_D2” na tle papieru milimetrowego. „Idąc za ciosem” i starając się zredukować do minimum ewentualne pojemności i indukcyjności złącz również kondensatory C1 i C2 dobraliśmy z rodziny „maleństw” do montażu powierzchniowego. Są to kondensatory ceramiczne 0,1mF/50V też z oferty Elfy (numer katalogowy Elfy: 65-200-01) pokazane na fotografii „C1_C2” na tle papieru milimetrowego. W niniejszym projekcie zastosowaliśmy kondensatory o większej pojemności, niż zalecana w oryginalnym opracowaniu „Sonda w.cz.” aby uzyskać większą efektywność powielania i prostowania napięcia.

Po wyborze elementów przyszła pora na płytkę drukowaną. I również tutaj przyszła z pomocą „symetria” układu. Ułożyliśmy elementy w pozycji zgodnej z wymaganymi połączeniami (fotografia „Montaz01”). Jak widać cały układ mieści się na powierzchni mniejszej, niż 15mm². Z tego powodu nasz detektor nazwaliśmy „miniaturowym”. Stwierdziliśmy, że nie będziemy projektować osobnej płytki ale wykorzystamy fragment uniwersalnej płytki typu UM17 Cyfroniki. Fragmenty ścieżek znajdujące się między innymi w każdym z czterech rogów płytki okazały się idealne do naszego zastosowania. Zaznaczyliśmy taki obszar czerwonym prostokątem na fotografii „Płytka”, na której widać również wycięte fragmenty gotowe do wykorzystania. Widać na nich pojedynczy punkt lutowniczy – „Punkt 1”, oraz ścieżki „Ścieżka 3” i „Ścieżka 4” zwarte z punktami „Punkt 3” i „Punkt 4”. Numery punktów i ścieżek odpowiadają numerom 1,3,4 końcówek i węzłów na rysunku „Schem01”.

Teraz przyszła pora na montaż. Z racji na małe wymiary elementów posiłkowaliśmy się mikroskopem stereoskopowym Bresser. Rozstaw polutowanych elementów pokazano na fotografii „Montaz02”. Tutaj kilka uwag praktycznych. Na początku dodatkowo zabielaliśmy obie ścieżki i punkty lutownicze, starając się jednak w przypadku punktów nie zalewać ich otworów. Pierwsze, jako nieco mniej wrażliwe na temperaturę, były lutowane kondensatory: C1 do punktu 1, C2 między ścieżkami 3 i 4. Następnie montowaliśmy układ BAV99: łącząc środkowe wyprowadzenie z drugą końcówką kondensatora C1 (węzeł 2), a pozostałe dwa wyprowadzenia ze ścieżkami 3 i 4 (węzły 3 i 4). Do punktu 1 przylutowaliśmy antenę o długości około 10 cm wykonaną ze srebrzanki 0,5 mm. Następnie, w celu polepszenia mocowania anteny, zawinęliśmy srebrzankę wokół płytki i jeszcze raz przylutowaliśmy aby nie tworzyć pasożytniczej indukcyjności (fotografia „Montaz03”). W trakcie eksperymentów okazało się, że lepszy sygnał daje układ z drugą, taką samą anteną ale przylutowaną do jednej ze ścieżek (np. ścieżki 3 – wyprowadzenie anteny widać na górnej części fotografii „Montaz02”, a obie anteny widać na fotografii „Montaz03”). Pozostał jeszcze przewód pomiarowy. Z uwagi na ochronę przed zakłóceniami zastosowaliśmy dwużyłowy przewód w ekranie. Z jednej strony przewodu zakończyliśmy żyły wtykami bananowymi (ekran połączyliśmy z jedną z żył). Z drugiej strony końcówki żył przylutowaliśmy do punktów lutowniczych 3 i 4 (fotografie „Montaz03, Montaz04). W celu ochrony końcówek przewodu przed uszkodzeniem, przymocowaliśmy go do spodu płytki za pomocą rurki termokurczliwej i taśmy izolującej. Druty – srebrzanki wygięliśmy tak, aby uzyskać antenę dipolową o osi równoległej do płytki czujnika. Oba „ramiona” anteny mają długość około 8cm (fotografia „Montaz04”).

Eksperymenty z telefonem komórkowym

Pierwsze eksperymenty wykonaliśmy z telefonem komórkowym Nokia 3110c łącząc się na bezpłatną linię *111 (w sieci Orange). Czujnik umieściliśmy pod telefonem z anteną równoległą do jego dłuższego boku (fotografia Telefon komorkowy bezpośrednio \ „Nokia01”). Uzyskane sygnały obserwowaliśmy na multimetrze Sanwa PC5000. Były one bardzo niestabilne: oscylowały w okolicach 2 – 3V a bargraf przyrządu pokazywał szybkie zmiany pomiędzy minimum a maksimum zakresu (film „Sanwa01”). Było to spowodowane pakietowym przesyłem danych, który można usłyszeć w postaci charakterystycznych „bipnięć” w sprzęcie radiowym sprzęgającym się czasami z telefonami. Aby dokładniej obejrzeć przebiegi podłączyliśmy czujnik do oscyloskopu Metex DG Scope 20MHz ustawionego w trybie „ROLL”. Oprogramowanie oscyloskopu umożliwiło przekopiowanie przebiegów do komputera w formie bitmapy z widocznymi nastawami przyrządu.

Po wywołaniu numeru *111 zaobserwowaliśmy na oscyloskopie „postrzępioną” strukturę sygnału odpowiadającą kolejnym pakietom danych (przebieg „Nokia02”). Maksymalne wartości sygnału sięgały około 7V. Oczywiście sygnały są „sklejone” przez skończony czas ładowania i rozładowania kondensatorów detektora. Następnie umieściliśmy detektor z anteną skierowaną prostopadle do osi telefonu (fotografia Nokia03) Odpowiadający temu przypadkowi sygnał okazał się mniejszy (przebieg „Nokia04”). Każdą próbę powtórzyliśmy i zmniejszenie sygnału się powtórzyło. Prawdopodobnie przyczyną tego efektu jest orientacja anteny telefonu zgodna z jego dłuższą krawędzią i polaryzacja promieniowania. Sygnał jest wyższy dla równoległej orientacji obu anten (telefonu i detektora) i niższy dla prostopadłej.

Analogiczne przebiegi obserwowaliśmy dla telefonu SamsungC3050, dla przykładu pokazane na przebiegach „Samsu01” i odpowiadające równoległej orientacji anteny pod telefonem (fotografia „Samsu02”)

Jak widać wartości użytych kondensatorów C1 i C2, mimo że większe w porównaniu z oryginalnym projektem, nie przeszkodziły w obserwacji niestabilności promieniowania telefonu, na których „trop” wpadliśmy przy pomocy multimetru z szybkim bargrafem.

W kolejnym eksperymencie sprawdziliśmy efektywność detekcji za pomocą anten w formie cewek indukcyjnych. Prowizorycznie zbudowaliśmy układ trzech dwu-zwojowych pętli obejmujących we wszystkich kierunkach przestrzeni pudełko z tworzywa sztucznego (fotografia: „Petle01”). Do końcówek pętli przylutowaliśmy trzy detektory promieniowania w ten sposób, że te same zaciski detektorów, które służyły jako wyprowadzenia anten, teraz były końcówkami pętli. Detektory połączyliśmy z trzema multimetrami, wcześniej sprawdzonymi czy pokazują te same wartości. Fotografowaliśmy uzyskane wskazania, aby odczytywać je w tym samym momencie. Liczyliśmy, że składowa magnetyczna emitowanego promieniowania (przez telefon włożony do pudełka) wygeneruje napięcia, które będziemy mogli obserwować za pomocą czujników. Rzeczywiście pojawiły się sygnały o wartościach sięgających maksymalnie około jednego wolta. Natomiast nie zaobserwowaliśmy jednoznacznych różnic wskazań spowodowanych polaryzacją promieniowania. Sygnały z kolejnych anten przyjmowały różne wartości bez wyraźnej tendencji zmian w zależności od orientacji telefonu wewnątrz pudełka (fotografie od „Petle02” do „Petle05”). Być może powinniśmy nawinąć więcej zwojów, aby uzyskać silniejsze sygnały na tyle, że dadzą się obserwować różnice. Najlepiej byłoby dostroić się z ilością zwojów cewek i pojemnościami kondensatorów detektora aby uzyskać rezonans z falą nośną telefonu. Generalnie potwierdziło się stwierdzenie zawarte we wstępie do niniejszego zadania (EdW 4/2010 str. 41), że pole magnetyczne jest polem „niskooporowym” i w jego przypadku należałoby mierzyć prądy, a nie napięcia, na które jest ukierunkowany nasz czujnik.

Chcieliśmy też zaobserwować odbicie fal telefonu od zwierciadła wklęsłego. Z uwagi na polaryzację promieniowania zbudowaliśmy prowizoryczne zwierciadło walcowe. Użyliśmy do jego budowy podkładu do ogrzewania podłogowego czyli folii aluminiowej zatopionej w tworzywie sztucznym. Wycięliśmy prostokątny fragment o rozmiarach 100cm x 73cm i na dłuższych brzegach przykleiliśmy modelarskie giętkie listwy grafitowe. Do krótszych brzegów umocowaliśmy sztywne listwy drewniane (fotografia Telefon komorkowy i zwierciadlo \ „Zwie01”). Zwierciadło wygięliśmy w półokrąg i zabezpieczyliśmy przed rozłożeniem za pomocą dwóch nici o długościach 52cm. Całość umocowaliśmy na czterech krzesłach (fotografia „Zwie02”). Na fotografii „Zwie03” pokazano zwierciadło z bliska z wprowadzonym do wnętrza czujnikiem znajdującym się na wysokości „y” w stosunku do dolnej powierzchni zwierciadła, o antenie skierowanej zgodnie z osią „x” zwierciadła. Na statywie, 73cm powyżej górnej krawędzi zwierciadła kładliśmy telefon komórkowy (Nokia 3110c) łączony z numerem *111 i skierowany dłuższym bokiem zgodnie z osią „x” zwierciadła. Pokazano to na fotografii „Zwie04”, na której jeszcze raz zaznaczono wysokość „y” czujnika.

Czujnik przemieszczaliśmy wzdłuż osi „y” starając się go utrzymać w środku pozostałych osi symetrii. Początkowo sygnały obserwowaliśmy za pomocą multimetru. Oczywiście wartości wskazań były znacznie słabsze, niż przy bezpośrednim przysunięciu czujnika do telefonu. Niemniej udało nam się zaobserwować dwa miejsca zwiększonej intensywności promieniowania: na wysokościach około y=10cm („pierwsze”) oraz około y=27cm („drugie”). Postanowiliśmy obejrzeć te miejsca na oscyloskopie (Metex DG Scope 20MHz). Obserwując wskazania w trybie „ROLL” ponownie przesuwaliśmy czujnik w pionie od dołu do góry. Zauważyliśmy dwa obszary zwiększonego sygnału z wyraźnym minimum pomiędzy nimi (przebieg „Obsz01”). Pierwszy obszar był nieco szerszy, niż drugi. Powyższe „skanowanie” wykonywaliśmy wielokrotnie także opuszczając czujnik z poziomu górnej krawędzi zwierciadła w dół (przebieg „Obsz02”). Istnienie dwóch obszarów potwierdzało się, przy czym ich wewnętrzna struktura ewoluowała. Zdarzało się, że na tle zwiększonej intensywności promieniowania pojawiały się kolejne, lokalne „piki” zarówno przy podnoszeniu czujnika (przebieg „Obsz03”), jak i jego opuszczaniu (przebieg „Obsz04”). Teoretycznie idealne zwierciadło walcowe powinno mieć jedno ognisko w połowie promienia, w którym występuje maksimum sygnału. To tłumaczyłoby pierwszy obszar (y=27cm od „dna”). Nasze zwierciadło nie jest idealne co tłumaczy poszerzenie obszaru. Prawdopodobnie z tego powodu powstało również lokalne, drugie maksimum (y=10cm od „dna”). Pojawiające się „piki” na tle struktury maksimów mogą wynikać z pakietowego przesyłu danych przez telefon komórkowy. Ich przyczyną mogą być też dodatkowe odbicia i interferencje tak charakterystyczne dla zjawisk falowych.

W kolejnych eksperymentach skupiliśmy się na analogowych źródłach sygnałów elektromagnetycznych. Spodziewaliśmy się obserwować stałe wskazania czujnika.

Eksperymenty z kuchenką mikrofalową

Oczywistym obiektem obserwacji stała się domowa kuchenka mikrofalowa marki LG. Od przedniej strony kuchenki, na odległość około 1m zapewniliśmy pustą przestrzeń aby uniknąć ewentualnych odbić i interferencji. Do czujnika podłączyliśmy multimetr Sanwa PC5000. Na początku sprawdziliśmy wskazania gdy kuchenka była tylko włączona do prądu ale bez trybu pracy. Miały one maksymalne wartości kilku miliwoltów (fotografia Kuchenka mikrofalowa \ „Kuch01”). Następnie załączyliśmy kuchenkę w trybie pracy ciągłej – najwyższej mocy. Wskazania przy okienku drzwiczek powiększyły się do 24,3mV (fotografia „Kuch02”). Zauważyliśmy duże różnice wskazań w zależności od położenia czujnika w okolicach prawej szczeliny drzwiczek. Tuż przy szczelinie wskazania były wyższe (22,3mV – fotografia „Kuch03), natomiast o około 2 centymetry w lewo – niższe (5,6mV – fotografia „Kuch04”), praktycznie na poziomie odpowiadającym wyłączonej kuchence. Szczególnie duże wskazania odnotowaliśmy dla górnej szczeliny. Silnie zależały one od położenia czujnika i praktycznie kilku-milimetrowe wahania powodowały istotne różnice wartości (od 97,2mV do 341,2mV !!! – fotografie „Kuch05” i „Kuch06”). Orientacyjnie zmierzyliśmy sygnał z tyłu kuchenki – był tego samego rzędu, co z przodu przy okienku (23,2mV – fotografia „Kuch07”).

W trakcie pomiarów nie zauważyliśmy znaczących różnic wskazań w zależności od tego czy kuchenka była pusta czy pełna (dzbanek z wodą). Przy okienku nie odnotowaliśmy różnic wskazań odpowiadających poziomemu i pionowemu zorientowaniu anteny czujnika.

Sprawdziliśmy też wskazania w zależności od odległości czujnika w kierunku prostopadłym do okienka i generalnie ulegały one zmniejszeniu. Raz tylko sygnał zdawał się chwilowo wzrastać przy oddalaniu: ale nie udało się tego powtórzyć. Być może był to chwilowy „kaprys” skomplikowanych zjawisk falowych.

Eksperymenty z laptopem

Z pomocą zbudowanego detektora „przeskanowaliśmy” laptop „Fujitsu Siemens” Wykonaliśmy to przesuwając czujnik tuż nad laptopem od jego górnej krawędzi (nad ekranem) w dół, aż do dolnej krawędzi (pod klawiaturą). Ustawienie czujnika i kierunek „skanu” pokazano na fotografii Laptop \ „Laptop01”. W trakcie tej operacji obserwowaliśmy sygnał na oscyloskopie (Metex DG Scope 20MHz) w trybie „ROLL”. Zauważyliśmy istnienie wyraźnego maksimum (przebieg „Laptop02”). Okazało się, że odpowiada ono miejscu u podstawy monitora, nieco z prawej strony. Podłączyliśmy czujnik do multimetru Sanwa PC5000 i po dokładnym ustawieniu położenia czujnika, sygnał wzrósł do ponad 60V !!! (fotografia „Laptop03”) i praktycznie nie zależał od zawartości ekranu. Sprawdziliśmy to dla sytuacji: wygaszacz ekranu („Droga Mleczna”), ekran powitalny, aplikacja (Word), film. We wszystkich sytuacjach wskazania multimetru różniły się co najwyżej o około 1V. Obrócenie czujnika o 180 stopni (prostopadle do osi anten) praktycznie nie zmieniało wskazań, co potwierdza, że wskazuje on efekt powielenia i wyprostowania sygnałów zmiennych. Gdyby były to wysokie potencjały stałe, mierzone przez końcówki anten, wówczas po odwróceniu o 180 stopni sygnał powinien zmienić znak. Z resztą, teoretycznie, pomiar potencjałów stałych powinien być zblokowany przez kondensator C1 czujnika. Domyślać się tylko można, że tak wysoki sygnał emitują przewody obsługujące matrycę monitora.

Eksperymenty z telewizorem

Z tyłu nad lampą kineskopową telewizora zauważyliśmy lokalne maksimum o wartości 4,2 V (fotografia Telewizor \ „Tele01”). Natomiast z przodu, tuż przy ekranie, średnie sygnały wynosiły około 3V (fotografia „Tele02”). Analogicznie jak wcześniej, obrót o 180 stopni nie zmieniał wskazań, zatem detektor mierzył sygnały zmienne, pochodzące prawdopodobnie od impulsów sterujących pracą lampy kineskopowej.

Eksperyment z nadajnikiem bezprzewodowym

Próby obejrzenia sygnału generowanego przez interfejs USB do obsługi sieci bezprzewodowej nie dały imponujących wyników. Sygnał był rzędu kilkudziesięciu miliwoltów (fotografia Nadajnik USB \ „Usblink01”) i praktycznie nie zmieniał się niezależnie od stanu połączenia i transferu danych.

Podsumowanie

Podsumowując nasz projekt chyba możemy napisać, że zaletą konstrukcji jest jej prostota, oraz dostępność i stosunkowo niska cena dobranych elementów przy zachowaniu odpowiednich parametrów. Małe wymiary pozwalają na ograniczenie pasożytniczych pojemności i indukcyjności, co w przypadku detekcji sygnałów wysokich częstotliwości ma istotne znaczenie. Miniaturowa forma umożliwia również (co mamy w planach w przyszłości) zbudowanie matrycy czujników i próby detekcji promieniowania z rozdzielczością przestrzenną (na przykład dookólnej charakterystyki promieniowania telefonów komórkowych, anten, itp.).

Z pomocą naszego detektora zaobserwowaliśmy sygnały od telefonu komórkowego zarówno dla bliskiego kontaktu anteny z czujnikiem, jak i w przypadku odbicia od zwierciadła (w przybliżeniu) walcowego. Również udało się zaobserwować sygnały pochodzące od kuchenki mikrofalowej, laptopa i telewizora.

Należy podkreślić, że nasz detektor wymagałby systematycznych badań właściwości: charakterystyki częstotliwościowej, kalibracji wskazań w stosunku do mocy sygnału. Powinny się one odbyć przy użyciu specjalistycznego sprzętu (precyzyjnego generatora wysokich częstotliwości ze wzmacniaczem i układem antenowym), do którego jednak nie mamy dostępu.

Mamy świadomość, że powyżej opisane badania nie wyczerpują możliwych prac z detektorem. Można sprawdzić promieniowanie również innych źródeł: odbiorników telewizji satelitarnej, interfejsów Bluetooth, akcesoriów bezprzewodowych itd. Również dodatkowe zmiany konstrukcyjne – na przykład dobudowanie układu rezonansowego LC dopasowanego do odpowiedniej częstotliwości – niewątpliwie polepszyłyby czułość układu. Ze względów czasowych nie mieliśmy możliwości wykonania tych wszystkich prac, niemniej wydaje nam się, że powyżej przedstawione eksperymenty ukazują potencjalne możliwości naszego prostego (miniaturowego) detektora.

WYKAZ ELEMENTÓW:

C1, C2 - 0,1mF/50V, ceramiczny SMD (nr kat. Elfa: 65-200-01)

D1, D2 - BAV99, (nr kat. Elfa: 70-181-61)

Autorzy:

Adam Buczek

[e-mail]

Dobromił Załoga

4