Поверхность Земли определяющим образом влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (кривизна участков поверхности и отдельные неровности рельефа – горы, ущелья). Влияние это различно для волн разной длины, для условий относительно передачи радиосигнала над грунтом и под ним, и для разных расстояний между передатчиком и приемником. Поэтому способы распространения радиоволн над землей и тем более под ней существенно зависят от множества факторов, в том числе – от длины волны и даже от освещенности земной атмосферы солнцем.

Меня издавна интересовал вопрос: а возможна ли подземная радиосвязь с помощью непрофессиональных, портативных радиостанций?

В 2014 году в своем фермерском хозяйстве в Верховажском районе Вологодской области мною проведен ряд экспериментов, о которых поведаю далее. Был поставлен вопрос: возможна ли радиосвязь под землей, и какие факторы влияют на ее качество.

Для подготовки условий эксперимента углублены подземные катакомбы (глубина 1,6 метра под землей) в районе д. Боровичиха в месте естественного кратера, который в здешних краях носит название «Коробовая яма». Длина прямолинейного подземелья (подземного тоннеля) после подготовительных работ достигла 22 м.

Обязательные условия

Основным и обязательным условием подземной радиосвязи является то, что радиосвязь должна осуществляться между корреспондентами, находящимися в прямой видимости (на прямолинейном участке дистанции). Тогда она возможна практически без ограничений – в соответствии с мощностью радиостанции.

Распространение радиоволн под землей подчиняется определенным общим законам:

Если же говорить о распространении радиоволн в земле (грунте), то увы, радиоволны в землю не проникают (если не используется мегаваттный передатчик). Связь «через землю» может осуществляется с помощью магнитной индукции между многовитковыми рамками (своеобразными антеннами), которые можно считать разнесенными обмотками трансформатора – информация переносится не электромагнитным излучением, а магнитной индукцией. То есть можно передавать звуковой сигнал (сигнал ЗЧ) через землю на небольшие расстояние до 1 км (в зависимости от мощности усилителя и комплекса других условий местности), но это не будет передачей радиоволн.

Несущая частота в такой связи выбирается около 70…90 кГц. Выбор слишком низкой несущей частоты приведет к увеличению массы и габаритов рамок, а при высокой несущей частоте увеличиваются потери на излучение.

Прием ведется на вертикально установленную рамку. Переменное магнитное поле убывает по закону «обратных кубов»: каждый раз, когда удваивается расстояние между рамками, сила сигнала уменьшается на 18 дБ.

В простых экспериментальных устройствах для передачи сигнала ЗЧ через землю применяется амплитудная или однополосная модуляция (с подавленной несущей – SSB). Определяющее значение для максимальной дальности связи имеет форма рамок.

К примеру, круглая рамка обеспечивает выигрыш силы сигнала в два раза по сравнению с квадратной.

Для подтверждения сего, снова пришлось захватить с собой под землю портативные рации. На этот раз в деле радиообмена были использованы безлицензионные (не требующие специального разрешения Россвязьнадзора) компактные радиостанции диапазона PMR (446 МГц) Motorola TLKR T6 (см. рис. 1.9).

Рис. 1.9. Внешний вид раций Motorola TLKR T6

Подземная связь востребована спелеологами и спасательными службами, поэтому разработка аппаратуры и антенн для подземной связи актуальна. Немаловажным достоинством такой связи является ее доступность – не требуются никакие разрешения государственных органов, а приемники и передатчики могут быть выполнены на не дорогой современной элементной базе с использованием высокоэффективных методов модуляции и обработки принимаемого сигнала.

Основные недостатки «классической» (надземной) радиосвязи, обнаружены еще А.С. Поповым – атмосферные помехи и замирания сигнала, хотя и получили теоретическое объяснение, но со временем не уменьшились, все также оказывают влияние на качестве связи в радиоэфире.

С ростом числа радиостанций появились еще и взаимные помехи станций друг другу.

Именно поэтому данный раздел книги начат с обзора изобретений Попова.

Объединение с проводной связью потребовало от радиосвязи такой же высокой надежности при составлении комбинированных каналов связи, какой обладала связь по проволоке.

Нетрадиционные источники энергии – ветер и солнце являются постоянно возобновляемыми, практически вечными видами энергии; тем они особенно перспективны для отдельных строений, возведенных на природе.

Раздел предназначен читателям, имеющим стремление к самостоятельному техническому творчеству, строителям своего счастья в прямом и переносном смысле этого понятия, интересующихся новыми идеями современной электроники, нетрадиционными источниками питания, солнечными батареями в эпоху всеобщей экономии и оптимизации издержек.

С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?

Весь электромагнитный спектр солнечного излучения представляет собой излучение физических тел. И основные источники света – атомы – никогда не испускают его непрерывно. Так, атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля – фотонов, поэтому световое излучение носит прерывистый, дискретный характер. Однако даже в простом физическом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается «световой» порядок, наглядно демонстрирующий не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер светового спектра.

Прототипом современных солнечных элементов являют фотоумножители (ФЭУ).

Процесс преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage) называется «PV-эффект». Он был открыт в 1954 году, когда ученые обнаружили, что кремний (этот элемент – основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спутников и небольших электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы.

Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения: солнечная панель всегда подключена к аккумулятору через последовательно включенный в электрической цепи диод.

Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напряжения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузочный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.

Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции – то есть от интенсивности солнечного света – и температуры самой батареи.

Сегодня можно самостоятельно собрать устройство для обеспечения электропитания посредством солнечной энергии, специально преобразованной в электрический ток и накопленной с помощью электронных устройств и аккумуляторов. Такие электронные устройства состоят непосредственно из солнечной батареи (солнечных элементов, соединенных в батарею), аккумулятора, преобразователя (инвертора) тока (из постоянного – в переменный). Таким образом, иметь дома источник альтернативного питания с сетевым напряжением 220 В вполне доступно.

На рис. 1.10 представлена блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи.

Рис. 1.10. Блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи

В табл. 1.5 и 1.6 представлены электрические характеристики солнечных модулей и батарей.

Таблица 1.5. Электрические характеристики солнечных модулей отечественного производства

КПД обычного солнечного элемента на основе кремния колеблется в пределах 10…18 %. Существуют арсенид-галлиевые солнечные элементы, КПД которых в 2 раза выше; из-за очень высокой стоимости они применяются ограниченно, в основном в военной и космической сфере.

При нагревании солнечного элемента (модуля) излучением солнца происходит снижение его рабочего напряжения. Температурный коэффициент для кремния составляет около 0,4 % на 1º С (0,002 В/ºС на один элемент); таким образом, один элемент может нагреваться до температуры +60…70º С.

Для зарядки 12-ти вольтовой аккумуляторной батареи необходимо 36 элементов, что позволит иметь запас по напряжению в сравнении с напряжением полного заряда батареи, и компенсации потерь в контроллере заряда АКБ. При наличии воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом потери на отражение и поглощение излучения солнца достигают 20–30 % по сравнению с 12 % без воздушной прослойки.

Учитывая вышесказанное фотогальванические солнечные батареи рекомендуется использовать на их максимальной мощности, только тогда они дают максимальное напряжение и ток.

Такой модуль не боится ни влаги (полностью герметичная клеммная коробка), и мелких царапин, поскольку выполнен на гибкой основе (пластик).

Тем из читателей, кто выращивает цветы на своих участках или в домашних условиях, не надо рассказывать о пользе этого увлечения. Большинство людей делает это по велению души. В последнее время даже стали проводить конкурсы и выявлять победителей в соревнованиях «Чей балкон краше?».

Некоторые цветоводы имеют много свободного времени и с удовольствием наблюдают за ростками часами, другие ограничены во времени и могут посвятить любимому занятию только несколько минут в день.

Самым главным при взращивании растений и поддержании уже взрослых декоративных цветов является создание соответствующего микроклимата – поддержание и постоянный контроль влажности почвы, окружающего воздуха и солнечных ванн. И если создать благоприятный климат окружающей температуры воздуха и дозировать солнечную энергию относительно просто – установив горшок с цветком в соответствующее место в интерьере квартиры, то поддержание влажности почвы требует ежедневного и тщательного внимания. А между тем, процесс полива можно автоматизировать, собрав и включив простое в повторении электронное устройство, схемы которого представлены на рис. 2.1 и 2.2.

На логических элементах микросхемы DD1.1, DD1.2 К561ЛА7 собран сигнализатор влажности. Перед этим узлом стоит важная задача – сигнализировать о сухой почве и не допустить ее переувлажнения, так как в последнем случае это может погубить цветы. Поэтому система полива должна включаться на короткие промежутки времени, с постоянным контролем состояния влажности почвы.

Контакты Х1 изготовлены из металлических спиц (применяемых также для вязания) длиной 30 см – каждая. Контактные проводники припаиваются к спицам с помощью припоя ПОС-61 (или аналогичного) и флюса. Проводники от датчиков-спиц выполнены гибким монтажным проводом МГТФ-0,8 и имеют длину не более 50 см каждый.

Большая длина проводников к датчику приведет к ложным срабатываниям логических элементов микросхемы DD1.1 и DD1.2. Переменный резистор R1 необходим для регулировки чувствительности узла, осуществляющего контроль влажности почвы. Перед первым включением движок R1 устанавливают в среднее (по схеме) положение. Датчики – спицы помещаются в почву цветочного горшка на глубину до 20 см.

Пока почва сухая, она имеет большое сопротивление электрическому току (несколько десятков МОм).

Сопротивление переменного резистора R1 меньше этого значения, поэтому на выводах 1 и 2 логического элемента DD1.1 присутствует сигнал высокого логического уровня. На выводе 3 DD1.1 будет низкий уровень (так как элемент включен как инвертор), а на выводе 4 элемента DD1.2 присутствует вновь высокий уровень. Благодаря этому напряжению заряжается оксидный конденсатор С3, который необходим для инерции срабатывания узла контроля влажности.

Как уже было отмечено выше, воду из бачка омывателя нагнетает автомобильный электродвигатель. Патрубок-капельница также используется штатный – его можно приобрести в магазинах автомобильных товаров или в торговых точках товаров для аквариума. Длина патрубка 3–4 м. большую длину использовать не желательно, так как напор воды будет сокращаться. На концы патрубка-капельницы надевают распылители воздуха для аквариума, через которые свободно проникает и вода.

Эти распылители и, тройник-разветвитель и миниатюрный вентиль показаны на рис. 2.4. Приобрести их можно там же (к примеру, у аквариумистов).

Рис. 2.4. Вентиль, тройник и распылители

Кроме микросхемы К561ИЕ16 можно без изменений в схеме применить ее зарубежный аналог CD4020В. Вместо этих микросхем можно применить более дорогую по стоимости зарубежную микросхему CD4060 (у которой нет полного аналога в К561 серии). Микросхема CD4060 имеет встроенный генератор импульсов, поэтому элементы HL1 и R9 из электрической схемы можно исключить.

Транзистор КТ604А заменяют любым из серий КТ815, КТ817, КТ819.

Диод VD1 – любой из серий КД521, КД522, КД102, КД103, 1N4148. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы С2 – С5 типа К50-24, К50-29 или аналогичные. Конденсатор С1 типа КМ-6 или аналогичный. Оксидный конденсатор С4 сглаживает пульсации напряжения.

Мигающий светодиод (кроме указанного на схеме) может быть типа L-816BRSC-B, L-56DGD, ARL-5013URC-B или аналогичным. Реле К1 – любое на напряжение срабатывания 10–12 В, с током потребления 10–50 мА, например, WJ118-1C или аналогичное.

Устройство очень экономично и непритязательно к параметрам источника питания. Ток потребления без учета тока потребления реле составляет всего 20 мА, причем большая часть расходуется мигающим светодиодом. Источник питания стабилизированный.

Устройство в налаживании не нуждается.

Время работы электродвигателя М1 (время полива) корректируется емкостью конденсатора С2. При емкости С2 = 1 мкФ и напряжения питания 12 В время полива составит 4 с., при С2 = 20 мкФ время полива увеличится до 1 мин.

Чувствительность узла контроля влажности почвы регулируют изменением сопротивления переменного резистора R1. При уменьшении сопротивления R1 чувствительность уменьшается.

Задержка включения таймера также может быть изменена путем подключения входа инвертора DD2.3 к другому выходу Q микросхемы– счетчика К561ИЕ16.

Так, к примеру, при подключении к выходу Q9 DD3 (вывод 14) управляющий импульс высокого уровня поступит на инвертор примерно через 3 мин. после начала отсчета импульсов задающего генератора (микросхема сосчитает до 512).

Электронное устройство, состоящее из радиоприемника и передатчика сигналов радиочастоты совсем несложно переоборудовать в радиоуправляемый электронный узел, включающий и выключающий свет в квартире дистанционно.

Пространство действия устройство распространяется до 100 м в условиях прямой видимости, что достаточно для управления в пределах среднестатистической квартиры или дома.

Передатчик, внешне представляющий собой корпус в виде пульта дистанционного управления (см. рис. 2.5 справа), в доработке не нуждается.

Благодаря несложной доработке приемного устройства (рис. 2.5 слева) устройство приемника радиосигналов принимает новое назначение.

При включении питания в первый момент времени на вход R DD1.1 благодаря разряженному конденсатору С2 поступает высокий логический уровень, который обнуляет триггер так, чтобы на прямом выходе Q установился низкий уровень напряжения. Транзистор VT1 закрыт, реле К1 обесточено, лампа накаливания EL1 не горит.

Примерно через ½ с (это обусловлено емкостью оксидного конденсатора С2 и сопротивлением резистора R1) первый зарядится почти до напряжения питания и уровень на входе R (вывод 4 DD1.1) переменится на низкий. Теперь триггер готов к приему сигналов по тактовому входу С, имеющему, как следует из схемы, низкий исходный уровень. Когда с пульта дистанционного управления поступает радиосигнал (и принимается приемным устройством), на входе С микросхемы DD1.1 появляется высокий уровень напряжения – триггер перебрасывается в другое устойчивое состояние. Теперь на его прямом выходе Q высокий уровень напряжения. Транзистор VT1 включает реле К1, а его контакты в свою очередь замыкают электрическую цепь питания лампы накаливания EL1.

В таком состоянии триггер находится до следующего положительного фронта импульса на входе С. При его поступлении (повторного нажатия клавиши на пульте), триггер переходит в исходное состояние, лампа накаливания EL1 обесточивается.

Цепь С2R1 обеспечивает сброс триггера микросхемы DD1 в исходный режим ожидания при включении питания. Оксидный конденсатор С1 выполняет функцию фильтрующего элемента по питанию. Диод VD1 препятствует броскам обратного напряжения при включении/выключении реле.

Суммарная мощность коммутируемой нагрузки зависит от параметров электромагнитного реле К1 и в данном случае ограничивается 150 Вт.

Постоянные резисторы МЛТ-0,25 (MF-25). Оксидные конденсаторы типа К50-26 на рабочее напряжение не менее 16 В. Остальные неполярные конденсаторы типа КМ-6Б.

Микросхему DD1 (К561ТМ2) можно заменить на К561ТМ1 без ущерба для эффективности работы узла, но в этом случае придется изменить схему, так как выводы у этих микросхем имеют разное назначение.

Транзистор VT1 – полевой, с большим входным сопротивлением. Это позволяет минимизировать ток утечки в состоянии ожидания радиосигнала и практически не оказывает влияния на выход триггера, не смотря на ограничивающий резистор R2 с малым сопротивлением.

Реле К1 можно заменить на РЭС43 (исполнение РС4.569.201) или другое, рассчитанное на напряжение срабатывания 4–4,5 В и ток 10–30 мА.

Устанавливать в устройство реле с током включения более 80 мА нежелательно, так как управляющий работой реле транзистор VT1 имеет ограничение по мощности.

Проблесковые маячки применяются в электронных охранных комплексах и на автотранспорте как устройства индикации, сигнализации и предупреждения. По тому же принципу действия – для привлечения внимания водителей к движущейся в вечернее время по пешеходному переходу детской коляске – я сделал маячок из подручных деталей. В разделе рассказывается о том, как в корпусе от детской игрушки с магнитным основанием сделать электронный маячок. Этот раздел может стать полезным для семей с маленькими детьми.

На дворе XXI век, в котором продолжается триумфальное шествие супер ярких (и мощных по световому потоку) светодиодов. Один из основополагающих моментов в пользу замены ламп накаливания и галогенных ламп светодиодами, в частности в проблесковых маячках, является ресурс и стоимость светодиода. Под ресурсом, как правило, понимают срок безотказной службы.

Широкое использование светодиодов с мощным световым потоком в несколько десятков Лм (Люменов) в электронных устройствах промышленного изготовления, где ими заменяют даже лампы накаливания, дает повод радиолюбителям применять такие светодиоды в своих конструкциях.

Самый экономичный вариант электрической схемы для питания светодиодов может быть реализован посредством импульсного преобразователя тока. В этом случае ток потребления от источника питания незначителен. На рис. 3.8 представлена электрическая схема устройства.

Принцип работы устройства таков.

Включение маячка осуществляется с помощью включателя SB1. Принцип работы мультивибратора подробно описан в литературе.

В первый момент времени на выводе 3 микросхемы DA1 высокий уровень напряжения и светодиоды горят. Оксидный конденсатор С1 начинает заряжаться через цепь R1R2.

Спустя примерно 1 с (это время зависит от сопротивления делителя напряжения R1R2 и емкости конденсатора С1), напряжение на обкладках этого конденсатора достигает величины, необходимой для срабатывания одного из компараторов в едином корпусе микросхемы DA1. При этом напряжение на выводе 3 микросхемы DA1 устанавливается равным нулю, и светодиоды гаснут. Так продолжается циклически, пока на устройство подано напряжение питания.

При отсутствии питания устройство ток не потребляет.

Кроме указанных на схеме, в качестве HL1—HL3 рекомендую использовать мощные светодиоды HPWS-TH00 или аналогичные с током потребления до 80 мА. Можно применять только один светодиод из серий LXHL-DL-01, LXHL-FL1C, LXYL-PL-01, LXHL-ML1D, LXHL-PH01, LXHL-MH1D производства Lumileds Lighting (все – оранжевого и красно-оранжевого цвета свечения).

Напряжение питания устройства можно довести до 12 В; это позволяет осуществить электрический параметры микросхемы, но сопротивление ограничительных резисторов R3-R5 в этом случае следует пропорционально увеличить.

Кроме описанных выше особенностей в выборе корпуса и его прозрачной части, другие особенности конструкции таковы.

Плата с элементами устройства устанавливается в корпус проблескового маячка. Вид на установленную плату с 3-мя светодиодами представлен на рис. 2.10.

Варианты доработок таковы.

После такой доработки можно применять три параллельно включенных светодиода типов LXHL-PL09, LXHL–LL3C (1400 мА), UE-HR803RO (700 мА), LY-W57B (400 мА). Автономный источник питания разрядится довольно быстро.

Можно и максимально упростить схему, оставив в ней только элемент питания напряжением 4…12 В, включатель и специальный светодиод со встроенной схемой управления, который изменяет цвета (есть двухцветные, есть те, что переливаются всеми 65 000 оттенками).

Если между точкой «А» и положительным полюсом источника питания включить капсюль со встроенным звуковым генератором, во время вспышек светодиода будет активен звуковой сигнал. Эта опции может развлечь ребенка в качестве игрушки, когда он не спит.

При повторении описываемого устройства может потребоваться подбор частотозадающих элементов (R1, R2, С1) и мультивибратора.

Во время летнего отдыха все кажется безмятежным до той поры, пока вы не почувствуете влияние комаров с их предательскими укусами и неприятным жужжанием.

Среди большого количества устройств, заявленных производителем как отпугиватели комаров (и или прочих вредителей) есть интересные для анализа радиолюбителей образцы. И если ранее подобные устройства были «завязаны» на питание от осветительной сети 220 В, или имели автономное питание от нескольких батарей (эквивалентное напряжение 9 В и выше), то недавно появились портативные (переносные) устройства с питанием от одной «пальчиковой» батарейки и «спрятанные» при этом в небольшой корпус, по габаритам едва превышающий губную помаду или спичечный коробок.

К примеру, портативный отпугиватель комаров, внешний вид которого представлен на рис. 2.14, собран по схеме высокочастотного генератора на комплементарной паре биполярных транзисторов и нагружен на пьезоэлектрический капсюль BZ1. От значений элементов С1, R1, R2 зависит частота генерации.

Кремниевый биполярный эпитаксиально-планарный p-n-p транзистор в корпусе ТО-92 2N5401 предназначен для использования в высокочастотных устройствах радиоаппаратуры широкого применения с

малым уровнем шумов и повышенным напряжением питания. Это вытекает из его электрических характеристик. Отечественный аналог КТ6116А. В данной схеме транзистор 2N5401 уверенно работает при минимальном напряжении питания и в генераторном режиме. Его также можно заменить на 2N5401C, 2N5401G, 2N5401N, 2N5401S, G2N5401, H2N5401, L2N5401. При других заменах устройство не проверено.

При столь малом напряжении питания и токе в цепи значения предельно допустимых электрических режимов эксплуатации не сильно важны. Тем не менее, приведу наиболее существенные из них.

Рассеиваемая мощность коллектора (Pк max) для транзистора 2N5491 всего 350 мВт.

Биполярный высокочастотный n-p-n транзистора– 2N5551 в корпусе То-92 или SOT-23, на мой взгляд, следует заменять аналогом лишь в крайнем случае, с учетом его конкретной схемы применения и режима работы.

Учитывая небольшую мощность, рассмотренное высокочастотное устройство предназначено для отпугивания комаров в небольшом помещении, ограниченного площадью одной комнаты 12–15 м². Это выяснено опытным путем.

В инструкции по эксплуатации указано, что устройство является «эффективным и безопасным средством борьбы с комарами» и «совершенно безопасно для человека и домашних животных». А также приведена «площадь эффективного покрытия» в 30 м².

Из паспорта изделия также следует, что «лабораторные исследования доказали, что звуковые волны активно воздействуют на нервную систему комаров, вызывая у них чувство дискомфорта». Тем не менее, я не вполне соглашусь с таким утверждением по нескольким причинам, обсуждение которых, очевидно, выходит за рамки данной статьи.

Однако, не могу не описать свой опыт как с этим, так и с другими электронными устройствами опугивателей комаров, грызунов, тараканов, птиц, домашних животных – кошек и собак, и даже коров и коз – представителей семейства мелкого и крупного рогатого скота (с которыми я экспериментировал в своем хозяйстве в сельской местности 2007–2011 гг.); некоторые из электронных устройств имеют регулировку частоты генератора и заявленную производителем мощность более 1 Вт.

Каждая из перечисленных групп насекомых и животных реагирует на «свою» частоту. Но вот что интересно. Особенности человеческого уха таковы, что оно (за редким индивидуальным исключением) не слышит, не воспринимает высокочастотный сигнал свыше 20 кГц. Если держать включенным такой прибор (в том числе отпугиватель комаров) недалеко (в пределах комнаты, офиса) от человека длительное время (на моей практике – достаточно получаса и более), то ощущается дискомфорт: хочется бросить занятия и уйти в другое помещение на улицу, сменить место дислокации.