Составитель: Адаменко Михаил Васильевич «В помощь радиолюбителю» Выпуск 11 (Электроника своими руками)
Глава 1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Тестер пультов дистанционного управления
Jozef Mach ml [1]
Предлагаемый тестер представляет собой обычный приемник инфракрасных сигналов со световой индикацией. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Тестер пультов дистанционного управления
Основу тестера составляют датчик ИК-сигналов, инвертирующий и буферный каскады, выпрямитель, а также схема индикации. Сигнал от пульта дистанционного управления поступает на датчик, в качестве которого используется микросхема IC1. На ее выходе формируется сигнал, представляющий собой инвертированную последовательность импульсов, соответствующую поданной команде. Далее импульсный сигнал подается на инвертирующий каскад, выполненный на транзисторе Т1. С коллектора транзистора Т1 импульсы проходят на буферный каскад (транзистор Т2), а также на контакты разъема X1, предназначенного для подключения осциллографа. С выхода буферного каскада сигнал через конденсатор С4 поступает на выпрямитель, выполненный на диодах D1 и D2. Затем выпрямленный сигнал подается на вход схемы индикации, основу которой составляет транзистор ТЗ. При поступлении последовательности импульсов конденсатор С5 быстро заряжается, что приводит к открытию транзистора ТЗ. В результате светодиод LD1 начинает светиться. По окончании сигнала конденсатор С5 медленно разряжается через резистор R6, транзистор ТЗ закрывается, а светодиод LD1 прекращает светиться.
Все детали тестера размещены на печатной плате размером 72x22 мм. Схема печатной платы приведена на рис. 2.
Рис. 2. Печатная плата тестера пультов дистанционного управления
Расположение деталей на печатной плате прибора приведено на рис. 3.
Рис. 3. Расположение деталей на печатной плате тестера пультов дистанционного управления
При изготовлении тестера можно использовать резисторы типа МЛТ-0,125, конденсаторы С1, С3, С5 — типа К50-12 или любые другие на номинальное напряжение не менее 10 В. Остальные конденсаторы могут быть металлокерамическими или керамическими, к примеру, типа КМ-6. Номинал резистора R7 соответствует применению светодиода LD1 типа JUMBO диаметром 10 мм. Использование индикатора таких размеров обеспечивает возможность получения визуальной информации о функционировании пульта ДУ с расстояния нескольких метров. В данном устройстве можно использовать и светодиод обычных размеров. Но в этом случае номинал резистора R7 должен находиться в пределах 220–270 Ом.
Собранный без ошибок и из исправных деталей тестер не нуждается в дополнительном налаживании и практически сразу может быть использован для проверки работоспособности пультов ДУ. При проверке тестер рекомендуется разместить, например, на телевизоре или видеомагнитофоне.
Проверяемый пульт должен находиться на таком расстоянии от прибора, на котором он обычно эксплуатируется. Нажатие любой кнопки на пульте ДУ должно привести к загоранию светодиода тестера. При проверке систем дистанционного управления некоторых радиоэлектронных устройств, например приемников спутникового телевидения, светодиод может мигать. Поэтому форму принятого сигнала желательно дополнительно проконтролировать с помощью осциллографа.
Детектор подслушивающих устройств [2]
Подавляющее большинство любительских и профессиональных подслушивающих устройств построено на основе простейших маломощных радиопередатчиков. При этом в качестве источника входного сигнала могут служить не только микрофон, но, например, обычная телефонная линия. Поэтому предлагаемый прибор представляет собой обычный широкодиапазонный радиоприемник, в качестве выходного каскада которого использован генератор низкочастотного сигнала. Диапазон частот принимаемых сигналов составляет примерно 1-1000 МГц, чего должно быть вполне достаточно для обнаружения большинства «жучков» кустарного и полупрофессионального производства.
Принципиальная схема детектора подслушивающих устройств приведена на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема детектора подслушивающих устройств
Основу прибора составляют входное устройство, усилитель высокочастотных сигналов, выпрямитель, фильтр, регулятор уровня сигнала, схема сравнения, а также управляемый напряжением генератор низкочастотного сигнала и оконечный УНЧ. С антенны, подключаемой к разъему X1, принимаемый радиосигнал поступает через конденсаторы С1 и С2 на высокочастотный усилитель, выполненный на транзисторе Т1. С коллектора транзистора Т1 усиленный сигнал проходит через конденсатор С4 на диод D1, используемый в качестве выпрямителя положительных пиков ВЧ-сигнала.
Далее сформированный сигнал через фильтрующую цепочку C6R8 поступает на один из входов операционного усилителя IC1-A (вывод IC1-A/3), который составляет основу схемы сравнения. На второй вход этого усилителя (вывод IC1-A/2) подается сигнал, прошедший через фильтрующую цепочку C5R6 и регулятор R23. Коэффициент усиления этого каскада определяется соотношением величин сопротивлений делителя R10R9. При наличии на входе прибора радиосигнала, излучаемого подслушивающим устройством, на выходе схемы сравнения (вывод IC1-A/1) формируется сигнал, который используется в качестве запускающего сигнала для генератора НЧ, выполненного на операционных усилителях IC1-D и IC1-C. Затем низкочастотный сигнал генератора усиливается сначала операционным усилителем IC1-B, а затем каскадом на транзисторе ТЗ. Усиленный сигнал низкой частоты подается на головные телефоны BF1.
Все детали детектора подслушивающих устройств размещены на двусторонней печатной плате размером 50x40 мм из фольгированного гетинакса или текстолита. Печатная плата приведена на рис. 5.
Рис. 5. Печатная плата детектора подслушивающих устройств со стороны расположения элементов (а) и со стороны пайки (б)
Расположение деталей на печатной плате прибора приведено на рис. 6.
Рис. 6. Расположение деталей на печатной плате детектора подслушивающих устройств
Электролитические конденсаторы С7 и С10 — типа К50-12 или любые другие на соответствующее номинальное напряжение. Остальные конденсаторы могут быть любыми малогабаритными. Регулятор R23 — любой малогабаритный переменный резистор с нормальной характеристикой. В предлагаемой конструкции используются микросхема МС3403, транзистор Т1 типа BFR91 (выполнен по технологии SMD), а также транзисторы Т2 и ТЗ типа ВС548. Диод D1 типа ВАТ85 можно заменить высокочастотным диодом NTE112. Антенну рекомендуется изготовить из отрезка медного провода, при желании можно установить и телескопическую антенну от любого переносного радиоприемника.
Перед непосредственным использованием детектора подслушивающих устройств его необходимо включить на расстоянии примерно 1,5 м от возможных источников излучения (радиоприемник, телевизор и т. п.) и установить регулятор R23 в положение, при котором в головных телефонах будет прослушиваться тихий акустический сигнал. После этого следует пройти с прибором по всем помещениям, в которых предполагается наличие «жучков». При приближении антенны детектора к подслушивающему устройству, излучающему радиосигнал в диапазоне 1-1000 МГц, громкость звукового сигнала значительно усилится.
Глава 2 САМОДЕЛКИ ДЛЯ ДОМА
Индикатор состояния сетевого выключателя
Josef Nikodem [3]
В квартирах, частных домах и в дачных домиках сетевая проводка электрического освещения выполнена так, что выключатель света для некоторых помещений, например для подвала или туалета, располагается вне этих помещений. Поэтому при закрытой двери довольно сложно определить, включен в них свет или нет. Предлагаемое устройство обеспечивает световую индикацию состояния выключателя освещения для таких помещений.
Данный прибор подключается последовательно с сетевым выключателем и сконструирован для использования в такой проводке, где в выключатель не заведен нулевой провод, и поэтому для индикации нельзя использовать обычную неоновую лампочку. При использовании указанных на схеме деталей индикатор работает в сети 220 В с максимальным током 2 А, то есть при максимальной мощности, потребляемой нагрузкой, около 440 Вт.
Принципиальная схема индикатора состояния сетевого выключателя приведена на рис. 7.
Рис. 7. Принципиальная схема индикатора состояния сетевого выключателя
При положительной полуволне сетевого напряжения (на клемме S1 напряжение более положительно, чем на клемме S2) после прохождения нуля тиристор Тс1 заперт или выключен. При этом ток на нагрузку проходит через LED-светодиод D2 и резистор R1, который ограничивает максимальный ток диода до значения примерно 100 мА. В это время диод D2 светится. Когда сетевое напряжение достигнет значения 9,1 В, на управляющий электрод тиристора Тс1 через стабилитрон D1 будет подано напряжение, обеспечивающее отпирание тиристора. Тиристор Tс1 откроется, и с этого момента ток потечет через него. Падение напряжения на тиристоре уменьшится, и светодиод D2 погаснет. Время свечения диода D2 определяется напряжением стабилизации стабилитрона D1. При отрицательной полуволне сетевого напряжения тиристор Тс1 открыт уже от нулевого напряжения синусоиды, поэтому диод D2 не светится.
Все детали индикатора размещены на небольшой печатной плате размерами 37x14 мм, изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Печатная плата и расположение элементов на ней приведены на рис. 8.
Рис. 8. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) индикатора состояния сетевого выключателя
Печатная плата размещается внутри выключателя. Светодиод D2 располагается в специально просверленном в крышке выключателя отверстии и с платой соединяется двумя проводками. В качестве резистора R1 следует использовать металлический резистор мощностью не менее 0,6 Вт, стабилитрон D1 должен быть типа BZX85V009.1, тиристор Тс1 — типа ВТА10А/600V, светодиод D2 — диаметром 5 мм красного цвета.
Работоспособность данного индикатора была неоднократно проверена. В то же время до конца остается невыясненным вопрос, выдержит ли предлагаемое устройство замыкание в цепи, вызванное появлением вольтовой дуги, инициируемой в электрической лампочке при перегорании нити накала.
Простой терморегулятор [4]
В предлагаемой конструкции используется сетевое напряжение 220 В. Поэтому при сборке, налаживании и эксплуатации прибора следует строго соблюдать меры предосторожности, необходимые при работе с высокими напряжениями.
Предлагаемый терморегулятор представляет собой обычный переключатель переменного тока, в котором источником управляющего сигнала является термистор, а в качестве переключающего элемента используется симметричный тиристор. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 9.
Рис. 9. Принципиальная схема простого терморегулятора
Основу терморегулятора составляют датчик температуры, схема управления, выполненная на транзисторах Т1-Т5, а также переключающий элемент Тс1. В качестве датчика температуры в данной конструкции используется термистор R22, имеющий отрицательный тепловой коэффициент. Это означает, что при низкой температуре такой термистор имеет большое сопротивление, а при повышении температуры его сопротивление уменьшается. Именно это свойство термистора используется в данной конструкции для оценки изменений температуры окружающей среды.
Сигнал от датчика температуры поступает на схему управления, выполненную на транзисторах Т1-Т5. При этом на транзисторах Т4 и Т5 собран триггер Шмитта, формирующий управляющее напряжение смещения для транзистора Т3. Каскад на транзисторе Т3 выполняет роль усилителя переменного напряжения, а также обеспечивает включение нагрузки при нулевом сетевом напряжении. Усиленный сигнал подается на каскады, выполненные на транзисторах Т1 и Т2, на выходе которых формируются управляющие импульсы для переключающего элемента. В качестве переключающего или ключевого элемента в предлагаемой схеме использован симметричный тиристор Тс1, который, в отличие от обычного тиристора или транзистора, позволяет переключать обе полуволны сетевого напряжения.
Термистор R22 вместе с регулировочным резистором R21 и резистором R17 образует делитель напряжения, обеспечивающий формирование напряжения смещения, подаваемого на базу транзистора Т4. При этом определенным положениям движка резистора R21 соответствует значение выбираемой величины температуры, при которой переключается триггер и, соответственно, включается или отключается нагрузка. С поворотом движка резистора R21 в ту или иную сторону изменяется величина напряжения смещения на базе транзистора Т4, что приводит или к его открыванию, или к запиранию. В результате срабатывает триггер Шмитта, выполненный на транзисторах Т4 и Т5.
Для под держания нужной температуры положение движка резистора R21 необходимо выбрать таким образом, чтобы при достижении этой температуры происходило переключение триггера. Так, например, если температура окружающей среды меньше, чем выбранная, то транзистор Т4 закрыт, а транзистор Т5 открыт. При этом делитель, образованный резисторами R13 и R14, обеспечивает формирование напряжения смещения необходимой величины, которое подается на базу транзистора Т3. Каскад на транзисторе Т3 усиливает уменьшенные импульсы сетевого напряжения, поступающие через резисторы R1 и R9. Усиленные импульсы подаются на схему переключения, образованную транзисторами T1, Т2 и симистором Тс1. В результате симистор открывается, а на нагрузку подается питающее напряжение. Если в качестве нагрузки используется нагревательный элемент, то он начнет функционировать в обычном режиме, обогревая, например, помещение. Когда температура окружающей среды станет равной той величине, которая выбрана с помощью регулятора R21, напряжение на базе транзистора Т4 станет равно порогу, необходимому для срабатывания триггера Шмитта.
В этом случае транзистор Т4 откроется, а транзистор Т5 закроется. В результате напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора Т3, изменится. Поэтому перестанут поступать управляющие импульсы на схему переключения, а нагревательный элемент отключится от сети. Если температура немного понизится, то на базе транзистора Т4 появится пороговое напряжение, достаточное для срабатывания триггера. Триггер опять переключится, на нагревательный элемент вновь поступит напряжение питания. Необходимо отметить, что особенностью такого триггера является то, что при его срабатывании наблюдается явление гистерезиса. Это означает, что для включения схемы на вход триггера необходимо подать иное, большее напряжение, чем для выключения.
Как известно, при включении нагрузки в момент, когда величина напряжения в сети отличается от нуля, из-за большого скачка тока появляются помехи, распространяющиеся в сети и влияющие на работу других электроприборов, в первую очередь телевизионной и радиоаппаратуры. Одна из отличительных особенностей предлагаемого устройства заключается в том, что включение нагрузки происходит в тот момент, когда сетевое напряжение проходит через нулевую точку. В результате указанные помехи ограничиваются или почти полностью устраняются. Для этого используется каскад на транзисторе Т3, на базу которого через резисторы R1 и R9 подается сетевое напряжение. Естественно, данный каскад функционирует только в том случае, когда на базе транзистора Т3 присутствует напряжение смещения необходимой величины. В этом случае уменьшенное переменное напряжение сети усиливается и далее поступает на схему переключения, в состав которой входят транзисторы Т1 и Т2, а также дифференцирующие цепочки, выполненные на элементах R7C2 и R8C3.
Из поступающих с коллектора транзистора Т3 положительных и отрицательных импульсов дифференцирующие цепочки, выполненные на элементах R7C2 и R8C3, формируют управляющие импульсы для симистора. Сформированные импульсы усиливаются транзисторами Т1 и Т2 в зависимости от их полярности. Каскад на транзисторе Т1 усиливает отрицательные импульсы, а каскад на транзисторе Т2 — положительные. Далее усиленные импульсы подаются на управляющий электрод симистора и открывают его. Таким образом, каскады на транзисторах Т1 и Т2 вместе с указанными дифференцирующими цепочками формируют в начале каждого полупериода импульс тока, который обеспечивает открытие симистора. В результате симистор подключает нагрузку к сетевому напряжению от начала до конца каждого полупериода. При этом напряжение сети подается на нагревательный элемент.
Симметричные тиристоры (симисторы) могут включаться при подаче управляющего импульса не только при прямом, но и при обратном напряжении на аноде, поэтому такие тиристоры могут работать в цепях управления переменным током. Через симистор, находящийся в выключенном состоянии, проходит незначительный ток утечки. Если же симистор включен и находится в проводящем состоянии, то при протекании значительного тока остаточное напряжение на нем не превышает величин от десятых долей до единиц вольт.
Одной из особенностей симистора является то, что если его открыть импульсом, подаваемым на управляющий электрод, то симметричный тиристор останется открытым до тех пор, пока протекающий через него ток не станет нулевым. В предлагаемой конструкции именно в этот момент на управляющий электрод симистора подается следующий импульс. Таким образом обеспечивается практически непрерывное нахождение симистора в открытом состоянии.
Для питания схемы используется напряжение величиной примерно 15 В, которое формируется из сетевого напряжения диодом D2 и стабилитроном D1. Снижение величины сетевого напряжения до необходимого уровня обеспечивается конденсатором С1. Сопротивление R2 ограничивает скачки тока, протекающего через конденсатор С1.
Все детали терморегулятора размещены на печатной плате размером 77x77 мм. Печатная плата приведена на рис. 10.
Рис. 10. Печатная плата терморегулятора
Расположение элементов на печатной плате прибора приведено на рис. 11.
Рис. 11. Расположение элементов на печатной плате терморегулятора
При изготовлении терморегулятора можно использовать резисторы типа МЛТ-0,125. Вполне подойдут и другие малогабаритные резисторы. Конденсаторы С4 и С5 — типа К50-12 или любые другие на номинальное напряжение не менее 16 В. Конденсаторы С2 и С3 могут быть металлокерамическими или керамическими, к примеру, типа КМ-6. Исключение составляет лишь конденсатор С1, реактивное сопротивление которого обеспечивает снижение величины сетевого напряжения до уровня, необходимого для формирования напряжения питания каскадов регулятора. Величину этого сопротивления можно рассчитать по формуле:
где:
Xc — реактивное сопротивление конденсатора (Ом);
f — частота сетевого напряжения (Гц);
С — емкость конденсатора (Ф).
Так, например, для конденсатора емкостью 330 нФ эта величина составляет 9,6 кОм.
Использование конденсатора вместо резистора предпочтительнее по той причине, что для больших нагрузок при одной и той же величине падения напряжения размеры конденсатора соответствующей емкости значительно меньше, чем резистора с необходимым сопротивлением. К тому же конденсатор, в отличие от резистора, практически не нагревается. Особое внимание следует обратить на то, что используемый конденсатор должен быть рассчитан на напряжение 250 В переменного напряжения или 630 В постоянного напряжения.
Указанные на схеме р-n-р транзисторы ВС308А (Т1-ТЗ) можно заменить на импортные транзисторы ВС308В, ВС308С или ВС557А-С, а также на отечественные транзисторы КТ3107Г, КТ3107Д или КТ3107К. Вместо n-p-n транзисторов ВС238В можно установить импортные транзисторы ВС238С или ВС546В и ВС546С, а также отечественные транзисторы КТ3102В. Диод 1N4148 (D3) можно заменить на отечественные диоды КД510, КД521 или КД522, обращая особое внимание на маркировку выводов катода и анода. Вместо диода 1N4007 (D2) можно установить отечественные диоды КД105, КД208, КД209 или КД243.
Установку элементов на печатной плате следует проводить в обычном порядке, то есть сначала необходимо впаять пассивные малогабаритные детали, затем полупроводниковые элементы, а после этого — крупногабаритные детали. При этом резистор R17 временно не устанавливается, а вместо резистора R20 следует установить перемычку. Особое внимание необходимо обращать на правильное расположение выводов транзисторов, симистора и электролитических конденсаторов.
Перед тем как устанавливать на печатную плату симистор, следует решить, для включения нагрузки какой мощности предполагается использовать данный регулятор. При мощности нагрузки до 400 Вт симистор рекомендуется разместить на небольшом радиаторе, который можно установить на печатной плате. Для нагрузки с потребляемой мощностью от 400 Вт до 1200 Вт симистор необходимо установить на радиатор с большой площадью рассеивания. Не следует забывать и о том, что в этом случае предохранитель Пр1 должен быть рассчитан на более высокий ток. Так, например, для мощности нагрузки 800 Вт должен использоваться предохранитель на ток 4 А.
Поскольку в данной конструкции на некоторых участках печатной платы протекают сравнительно большие токи, контактные дорожки между контактами симистора и входными контактами сетевого напряжения, а также контактами для подключения нагрузки желательно хорошо пропаять. Это необходимо для того, чтобы уменьшить токовую нагрузку на медные проводники.
После того как все компоненты будут установлены на печатной плате, еще раз следует проверить правильность монтажа. Лишь после этого к соответствующим контактам платы можно припаять выводы термистора R22. Сам же термистор должен быть размещен так, чтобы обеспечивалось его адекватное реагирование на изменения температуры окружающей среды. В последнюю очередь к печатной плате припаиваются выводы для подключения нагрузки и сетевой провод. После этого прибор можно подключить к сети и проверить его работоспособность.
Собранный без ошибок и из исправных деталей терморегулятор не нуждается в дополнительном налаживании, за исключением выбора необходимого диапазона температур и калибровки положения движка регулятора R21. Калибровку прибора можно провести с использованием какой-либо посуды с жидкостью, например с водой, нагретой до необходимой температуры. В жидкость помещаются термометр и термистор терморегулятора. Особое внимание следует обратить на то, чтобы в воде не оказались открытые контакты термистора. После этого необходимо несколько раз нагреть и охладить жидкость, контролируя ее температуру с помощью термометра. Изменяя температуру жидкости и вращением движка регулятора R21 включая и выключая терморегулятор, можно произвести достаточно точную калибровку прибора.
В случае если диапазон эксплуатационных температур не удовлетворяет предъявляемым требованиям, он может быть изменен подбором величин резисторов R17 и R20. Резистор R20 обеспечивает установку минимальной температуры срабатывания, величина его сопротивления может быть от нуля до сотен Ом. Поэтому в процессе налаживания прибора вместо установленной первоначально перемычки следует установить резистор, имеющий соответствующее сопротивление.
Резистор R17 обеспечивает установку максимальной температуры срабатывания, величина его сопротивления может составлять от сотен Ом до десятков кОм. При необходимости резистор R17 можно вообще исключить.
Если при эксплуатации терморегулятора потребуется часто менять выбираемую температуру, то подстроечный резистор R21 можно заменить на переменный резистор сопротивлением 10 кОм с линейной характеристикой.
Глава 3 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Миниатюрный FM-передатчик [5]
Передатчик предназначен для передачи сигналов на расстояние в несколько десятков метров. Частота передаваемого сигнала находится в вещательном УКВ-диапазоне, что позволяет принимать сигнал на обычный радиоприемник, имеющий соответствующий диапазон УКВ. Принципиальная схема миниатюрного FM-передатчика приведена на рис. 12.
Рис. 12. Принципиальная схема миниатюрного FM-передатчика
Основу данного устройства составляет генератор, выполненный на транзисторе Т1, включенном по схеме с общим коллектором. Рабочая точка транзистора Т1 выбирается подбором параметров делителя R3,"R4 и величины сопротивления резистора R5 в цепи эмиттера указанного транзистора.
Более точно частота генератора (в диапазоне 88-108 МГц) устанавливается резонансным контуром, образованным катушкой L1, двойным варикапом D1, а также конденсаторами С2-С5. Несущая частота передатчика регулируется растягиванием или сжиманием витков катушки L1, а при необходимости — изменением количества ее витков. На варикапы через разделительный резистор R2 подается модулирующее напряжение непосредственно с электретного микрофона MI1.
Катушка L1 содержит 3 витка медного лакированного провода диаметром 0,5 мм, намотанных на сердечник диаметром 6 мм. Двойной варикап D1 можно заменить двумя обычными варикапами, например типа КВ109. В качестве антенны А служит провод длиной в несколько десятков сантиметров, который припаивается к эмиттеру транзистора Т1. Питание передатчика осуществляется от миниатюрного алкалинового аккумулятора типа B-L1028 (размеры 10x28 мм) напряжением 12 В. Потребляемый ток не превышает 2,4 мА, поэтому с одной зарядкой аккумулятора передатчик может работать непрерывно в течение нескольких часов.
Простой радиомикрофон [6]
Конструкция, собранная в соответствии с принципиальной схемой, приведенной на рис. 13, представляет собой простой радиопередатчик с электретным микрофоном. В качестве приемника можно использовать любой вещательный радиоприемник с УКВ-диапазоном. Данный радиомикрофон предназначен для использования в закрытых помещениях, то есть там, где он не будет создавать помехи радиовещанию.
Рис. 13. Принципиальная схема простого радиомикрофона
Миниатюрный электретный микрофон диаметром 10 мм питается постоянным напряжением, величина которого определяется величиной сопротивления резистора R1 (1,5-10 кОм). Низкочастотный сигнал далее поступает на усилитель, выполненный на транзисторе Т1. На выходе усилительного каскада установлен подстроечный резистор R4, с помощью которого обеспечивается согласование усилителя со следующим каскадом. Оптимальное положение движка резистора R5 устанавливается с использованием осциллографа или в процессе эксплуатации радиомикрофона.
При работе с данным устройством, помимо сигнала от электретного микрофона, можно передавать сигнал от внешних источников, например с выхода УНЧ. В этом случае выход усилителя подключается к специальному входу радиомикрофона через разделительный конденсатор емкостью около 100 нФ. Рабочая частота генератора ВЧ, выполненного на транзисторе Т2, определяемая параметрами контура LC, составляет 80-100 МГц. Миниатюрный подстроечный конденсатор С имеет емкость 5-25 пФ. Катушка L содержит 5 витков медного провода диаметром 0,7–1,0 мм. Антенна подключается между первым и вторым выводами катушки L.
В качестве антенны можно использовать кусок провода длиной 20–40 см или штыревую антенну. Питание простого радиомикрофона осуществляется от источника напряжения 3 В, например от миниатюрных аккумуляторов, применяемых в электронных часах. Для увеличения дальности действия данного устройства до 100 м можно использовать источник напряжения 9 В при токе 8-10 мА
Глава 4 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛИ
Простой транзисторный металлоискатель [7]
Предлагаемая конструкция представляет собой один из многочисленных вариантов металлодетектор типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений, возникающих при смешивании двух сигналов близких частот. Принципиальная схема простого транзисторного металлоискателя приведена на рис. 14.
Рис. 14. Принципиальная схема простого транзисторного металлоискателя
В конструкции прибора использованы два простых LC-генератора, выполненных на транзисторах Т1 и Т10. Рабочая частота этих генераторов определяется параметрами контуров, включенных в коллекторные цепи соответствующих транзисторов. Контур первого генератора, который является опорным, образован конденсатором С1 емкостью 330 пФ и катушкой L1. В контуре второго, измерительного, генератора используются конденсатор переменной емкости С10 с максимальной емкостью примерно 300 пФ и поисковая катушка L10. Выходы генераторов через резисторы R1, R10 и конденсатор С4 подключены к базе транзистора Т2, который усиливает сигнал частоты биений. С коллектора транзистора Т2 усиленный сигнал подается на головные телефоны. Уровень громкости этого сигнала регулируется с помощью переменного резистора Р1.
Поскольку рабочие частоты генераторов находятся в диапазоне средних волн, их сигналы в телефонах не слышны. Когда удается добиться точной настройки каждого генератора на одну и ту же частоту, звуковой сигнал в телефонах также будет отсутствовать. Если же с помощью конденсатора СЮ настроить измерительный генератор на почти ту же частоту, что и опорный генератор, то в телефонах будет слышен сигнал частоты биений. При отсутствии в зоне действия поисковой катушки L10 металлических предметов рабочая частота измерительного генератора остается неизменной, поэтому неизменной будет и частота биений. В этом режиме возможные девиации частот могут быть обусловлены лишь нестабильной работой обоих генераторов.
При появлении в зоне действия поисковой катушки L10 металлического предмета резонансная частота контура L1 °C10 изменится. В результате изменятся рабочая частота измерительного генератора и, как следствие, частота сигнала биений. Именно эти изменения служат источником информации об обнаружении металлического предмета.
Печатная плата и расположение элементов простого транзисторного металлоискателя приведены на рис. 15.
Рис. 15. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) простого транзисторного металлоискателя
Катушка L1 опорного генератора намотана проводом ПЭЛ диаметром 0,1–0,2 мм на сердечнике диаметром 8 мм и содержит 100 витков. Катушку L1 можно намотать на ферритовом сердечнике или на бумажной трубке без сердечника. В качестве конденсатора С10 можно использовать любой конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком с максимальной емкостью примерно 300 пФ, например конденсатор настройки от любого старого радиоприемника. Поисковая катушка L10 изготавливается отдельно. Ее конструкция изображена на рис. 16.
Рис. 16. Конструкция поисковой катушки L10
Для изготовления катушки L10 потребуется вырезать круг диаметром 100 мм из фанеры или другого материала (гетинакс, текстолит) толщиной 1,5–2,5 мм. Круг следует разбить на секторы с углом 40° и в этих местах сделать прорези к центру на расстоянии 20 мм от края. В прорези надо продеть провод диаметром 0,2–0,3 мм (например, марки ПЭЛ) и виток к витку намотать 30 витков. К изготовленной таким образом поисковой катушке можно приделать удобную ручку. Подключение катушки L10 к печатной плате осуществляется через малогабаритный разъем.
Настройку прибора следует проводить в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м. При первом включении в телефонах будут слышны сигналы разных гармоник. Поэтому, настраивая прибор, следует выбрать наиболее сильный сигнал с помощью конденсатора С10 и отрегулировать его громкость регулятором Р1. Выбор наиболее сильной гармоники можно осуществить на слух или с использованием осциллографа или частотомера.
При практическом использовании рассматриваемого металлоискателя следует конденсатором С10 провести дополнительную подстройку на сигнал наиболее сильной гармоники и отрегулировать его громкость с помощью регулятора Р1. Если теперь в зоне действия поисковой катушки L10 окажется какой-либо металлический предмет, то высота тона в телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, а при приближении к другим — уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла — магнитного или немагнитного — изготовлен обнаруженный предмет.
Металлоискатель с кварцем
Wolfgang Schuler [8]
Предлагаемая вниманию читателей конструкция представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа FM (Frequency Meter), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа девиации частоты опорного генератора под влиянием металлических предметов, попавших в зону действия поисковой катушки. Одной из главных отличительных особенностей этой конструкции является анализатор, выполненный на кварцевом элементе Q1. В качестве индикатора помимо стрелочного прибора применена схема акустической сигнализации. Принципиальная схема металлоискателя с кварцем приведена на рис. 17.
Рис. 17. Принципиальная схема металлоискателя с кварцем
Основу схемы данного металлодетектора составляют измерительный генератор, буферный каскад, детектор высокочастотных колебаний, анализатор и индикаторное устройство.
Колебательный контур генератора высокой частоты, выполненного на транзисторе Т1, состоит из катушки L1 и конденсаторов С3-С6. Рабочая частота ВЧ-генератора зависит от девиации индуктивности поисковой катушки L1, а также от изменения емкостей подстроечного конденсатора С4 и регулировочного конденсатора СЗ. При отсутствии вблизи катушки L1 металлических предметов частота колебаний, возбуждаемых в высокочастотном генераторе, должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1, то есть в данном случае — 1 MГц.
После того как в зоне действия поисковой катушки L1 окажется металлический предмет, ее индуктивность изменится. Это приведет к отклонению частоты колебаний высокочастотного генератора. Далее ВЧ-сигнал подается на буферный каскад, обеспечивающий согласование генератора с последующими цепями. В качестве буферного каскада используется эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т2. С выхода эмиттерного повторителя высокочастотный сигнал через регулировочный резистор R7 и кварц Q1 поступает на детектор, выполненный на диоде D2. Благодаря высокой добротности кварца малейшие изменения частоты измерительного генератора будут приводить к уменьшению полного сопротивления кварцевого элемента. В результате на вход усилителя постоянного тока (база транзистора Т3) поступает низкочастотный сигнал, изменение амплитуды которого обеспечивает соответствующее отклонение стрелки индикаторного прибора. Нагрузкой УПТ, выполненного на транзисторе ТЗ, является стрелочный прибор с током полного отклонения 1 мА. При замыкании выключателя S2 в цепь нагрузки включается генератор звукового сигнала, выполненный на транзисторе Т4.
Вместо транзисторов типа ВС108, указанных на схеме, в данной конструкции можно использовать практически любые отечественные кремниевые маломощные транзисторы, например типа КТ315Б. Вместо диода типа 1N4001 (D2) рекомендуется применять любой германиевый диод серий Д2 или Д9 с любым буквенным индексом. В качестве элемента Q1 можно использовать любой кварцевый элемент с частотой от 900 кГц до 1,1 МГц.
Конструкция поисковой катушки L1 приведена на рис. 18.
Рис. 18. Конструкция поисковой катушки L1
Поисковая катушка L1 представляет собой кольцевую рамку, изготовленную из отрезка кабеля с внешним диаметром 8-10 мм (например, кабель марки РК-50). Центральную жилу кабеля следует удалить, а вместо нее протянуть 6 жил провода типа ПЭЛ диаметром 0,1–0,2 мм и длиной 115 мм. Получившийся многожильный кабель необходимо согнуть на подходящей оправке в кольцо таким образом, чтобы между началом и концом образовавшейся петли остался зазор шириной примерно 25–30 мм. Конец провода, являющийся началом первого витка, следует припаять к экранирующей оплетке кабеля, начало второго витка — к концу первого и т. д.
В результате получится катушка, содержащая шесть витков провода. При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей оплетки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Дополнительную жесткость конструкции катушки L1 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса диаметром 400 мм и толщиной 5–7 мм. Поисковую катушку L1 следует установить на конце подходящей ручки длиной 100–120 см. Соединение катушки с платой прибора выполняется многожильным экранированным кабелем.
Главным условием, обеспечивающим качественную настройку данного прибора, является отсутствие крупногабаритных металлических предметов на расстоянии не менее 1,5 м от поисковой катушки L1. Непосредственное налаживание металлодетектора следует начать с установки нужной частоты колебаний, формируемых высокочастотным генератором. Частота ВЧ-колебаний должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1. Для выполнения данной регулировки рекомендуется воспользоваться цифровым частотомером. При этом значение частоты устанавливается сначала грубо изменением емкости конденсатора С4, а затем точно — регулировкой конденсатора СЗ. При отсутствии частотомера настройку ВЧ-генератора можно провести по показаниям индикатора РА1. Кварц Q1 является элементом связи между измерительной и индикаторной частями прибора, поэтому его сопротивление в момент резонанса велико. Таким образом, о точной настройке колебаний высокочастотного генератора на частоту кварца будет свидетельствовать минимальное показание стрелочного прибора РА1. Уровень чувствительности данного металлоискателя регулируется резистором R7.
При практическом использовании этого металлодетектора следует переменным резистором R7 установить стрелку индикатора РА1 на нулевое значение шкалы. При этом в определенной степени компенсируются изменения режимов работы, обусловленные разрядом батареи, изменением температуры окружающей среды или девиацией магнитных свойств грунта.
Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, стрелка индикатора РА1 отклонится. В этом случае при замыкании контактов выключателя S2 в головных телефонах появится звуковой сигнал.
Глава 5 НИЗКОЧАСТОТНАЯ ТЕХНИКА
Усилитель низкой частоты для ПК
Michal Slánský [9]
Для тех владельцев персональных компьютеров, которых не удовлетворяет качество звука, воспроизводимого «классическими» пластмассовыми акустическими системами, несомненный интерес представит простой усилитель НЧ, выполненный на микросхеме TDA8560Q от фирмы PHILIPS.
Все детали усилителя размещены на одной печатной плате. Поскольку усилитель подключается непосредственно к звуковой плате ПК, это позволяет обойтись без цепей регуляторов тона, громкости и баланса. Частотные характеристики можно регулировать, например, с помощью программы Win-Amp Player, в состав которой входит десятиполосный эквалайзер. Помимо этого указанная программа обеспечивает возможность регулировки громкости и баланса. При желании можно использовать и другие программные продукты.
Принципиальная схема усилителя для ПК с микросхемой TDA8560Q, приведена на рис. 19.
Рис. 19. Принципиальная схема усилителя для ПК с микросхемой TDA8560Q
Основу предлагаемого усилителя НЧ составляет микросхема TDA8560Q, которая дополнена минимальным количеством внешних элементов. Сама же микросхема установлена на охлаждающий радиатор. На той же печатной плате размещен и трансформатор питания, благодаря чему вся конструкция представляет компактный модуль, который можно разместить в любом подходящем корпусе.
Несмотря на свою простоту, усилитель обладает сравнительно высокими характеристиками. Так, например, перекрестные искажения составляют всего около 0,02 % при выходной мощности 2x15 Вт на нагрузке 8 Ом. Диапазон воспроизводимых частот составляет 20-20000 Гц при искажениях 1 дБ. Усилитель надежно работает при питающем напряжении от 6 В до 18 В. Коэффициент усиления микросхемы составляет 100 (40 дБ).
Детали усилителя расположены на печатной плате размерами 120x160 мм, выполненной из одностороннего фольгированного текстолита или гетинакса. Печатная плата усилителя НЧ приведена на рис. 20.
Рис. 20. Печатная плата усилителя для ПК
Расположение элементов на печатной плате усилителя НЧ показано на рис. 21.
Рис. 21. Расположение элементов на печатной плате усилителя для ПК
Из принципиальной схемы видно, что для того, чтобы собрать данную конструкцию, необходим минимум элементов. Низкочастотные сигналы на входы усилителя подаются через конденсаторы емкостью 0,47 мкФ, динамики подключаются непосредственно к соответствующим выходам микросхемы IO1. Остальные элементы — конденсаторы фильтра цепи питания, а также элементы схемы MODE. Каскад, выполненный на транзисторе Т1, обеспечивает задержку включения усилителя. При включении напряжение питания сначала через резистор R2 будет подано на конденсатор С6, который начнет заряжаться. В зависимости от степени зарядки конденсатора С6 будет изменяться величина напряжения на выходе MODE, что приведет к изменению режима работы усилителя. Так, например, при напряжении UMODE в пределах 0–2 В усилитель будет находиться в режиме STANDBY и потребляет ток 100 мкА. При напряжении UMODE в пределах 3,3–6,4 В усилитель будет находиться в режиме MUTE, при этом динамики будут отключены. При напряжении UMODE более 8,5 В (режим NORMAL) усилитель будет работать в обычном режиме усиления сигнала. Источник питания выполнен по классической схеме с диодным мостиком и фильтрующими электролитическими конденсаторами.
Симметричный предварительный усилитель для микрофона [10]
Использование микрофонов с симметричным выходом и в среде полупрофессионалов стало практически повсеместным. Однако большинство устаревших, а также некоторые современные дешевые микшерные пульты имеют лишь несимметричные микрофонные входы. Естественно, качество воспроизведения сигнала при работе с такими пультами оставляет желать лучшего. Поэтому и был разработан специальный предварительный усилитель на операционном усилителе NE5534, обеспечивающий подключение микрофонов с симметричным выходом к пультам с несимметричным входом. Принципиальная схема симметричного предварительного микрофонного усилителя приведена на рис. 22.
Рис. 22. Принципиальная схема симметричного предварительного усилителя для микрофона
Сигнал от микрофона с контактов разъема К1 через резисторы R1 и R2 подается на соответствующие входы операционного усилителя IC1. Триммером Р1 можно регулировать симметричное усиление каналов предварительного усилителя.
Выход усилителя отделен от последующих каскадов конденсатором С2. Питание устройства осуществляется двуполярным напряжением ±15 В, которое применяется практически в любой звуковоспроизводящей аппаратуре.
Модуль симметричного микрофонного усилителя выполнен на печатной плате размером 26x54 мм, изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Печатная плата и расположение элементов на ней приведены на рис. 23.
Рис. 23. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) симметричного микрофонного усилителя
Поскольку предлагаемое устройство содержит всего несколько деталей, то изготовить его сможет и начинающий радиолюбитель. Единственным регулировочным элементом является триммер Р1. Для регулировки необходимо замкнуть контакты 2 и 3 входного разъема и регулировкой триммера установить на выходе усилителя минимальный уровень сигнала. После этого предварительный усилитель готов к работе. Его можно установить непосредственно в звуковоспроизводящей аппаратуре. Несмотря на свою простоту, такой усилитель значительно улучшит характеристики устройств с несимметричным микрофонным входом.
Миниатюрный усилитель сигнала [11]
Сигнал на выходе микрофона обычно имеет величину нескольких милливольт. Передача такого сигнала к входу микшерского пульта, расположенного на удалении до нескольких десятков метров, часто сопровождается появлением помех, вызванных близким расположением проводки электрической сети 220 В, используемой для подключения, например, аппаратуры световых эффектов. Эти помехи чаще всего выражаются в появлении шумов с частотой 50 Гц.
Одним из вариантов снижения таких шумов является применение симметричной линии. Однако для ее использования необходим симметрирующий трансформатор, который имеет большие габариты и сравнительно дорог. Лучшим решением проблемы является расположение усилителя сигнала, имеющего коэффициент усиления хотя бы величиной от 10 до 100, как можно ближе к источнику сигнала. Для этого можно использовать рассматриваемый далее миниатюрный усилитель, принципиальная схема которого приведена на рис. 24.
Рис. 24. Принципиальная схема миниатюрного усилителя
В качестве активного элемента в предлагаемой конструкции применен обычный операционный усилитель (IO1) в обычном включении, питание которого осуществляется от несимметричного источника с искусственным нулем. Усилитель спроектирован так, чтобы в нем не использовались электролитические конденсаторы, а его размеры были действительно миниатюрными. На входе усилителя установлен резистор R1, который обеспечивает малое входное сопротивление устройства. Коэффициент усиления определяется соотношением величин сопротивлений резисторов R3 и R2 и может находиться в пределах от 10 до 100. При необходимости резистор R1 из схемы можно исключить, величину сопротивления резистора R2 выбрать равной 1 кОм, а емкость конденсатора С1 — около 22 мкФ, при этом величину сопротивления R2 можно изменять в пределах от 10 кОм до 100 кОм. Однако размеры усилителя в этом случае увеличатся, поскольку в качестве конденсатора С1 потребуется использовать электролитический конденсатор.
На выходе усилителя установлен резистор R6, определяющий малое выходное сопротивление схемы. Величина емкости конденсатора С4 и величина сопротивления резистора R6 выбираются в зависимости от параметров последующих устройств. Если в качестве С4 предполагается использовать неэлектролитический конденсатор, то входное сопротивление следующего каскада не должно быть слишком малым. В то же время слишком большое входное сопротивление (сотни Ом и выше) может привести к повышению уровня шумов. Элементы R6 и С4 не обязательно устанавливать на печатную плату усилителя, их можно установить непосредственно на входе следующего каскада. Выводы 1, 5 и 8 микросхемы IO1 не используются, поэтому печатная плата спроектирована так, чтобы они не занимали лишнее место. Перед установкой микросхемы IO1 на печатную плату указанные выводы следует удалить.
Питание усилителя осуществляется напряжением не менее 6 В, при этом входное напряжение усилителя не должно превышать 100 мВ. Для уменьшения потребляемого тока можно использовать операционный усилитель типа TL061 с рабочим током 0,3 мА.
Элементы миниатюрного усилителя расположены на печатной плате размером 20x10 мм, изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Печатная плата и расположение элементов на ней приведены на рис. 25.
Рис. 25. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) миниатюрного усилителя
Настройка миниатюрного усилителя заключается в установке на его выходе напряжения, равного половине напряжения питания. После этого с помощью генератора НЧ и осциллографа следует проконтролировать работоспособность конструкции.
Если предлагаемый усилитель установить непосредственно в корпусе микрофона или звукоснимателя, то помехи, вызываемые наводками от проводов сетевого напряжения, практически исчезнут.
Использование деталей, выполненных по технологии SMT, позволяет уменьшить размеры усилителя до такой степени, что его можно разместить практически в любом устройстве. Единственной проблемой может быть вопрос питания. Для того чтобы в качестве источника питания можно было использовать напряжение, формируемое, например, в микшерском пульте, рекомендуется использовать двухжильный экранированный провод.
Приложение SIM-КАРТА: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЕ
Адаменко М. [12]
Каждый владелец мобильного телефона стандарта GSM хотя бы раз в жизни держал в руках маленький прямоугольник, с помощью которого мобильный телефон в одно мгновение превращается из безжизненных железок и пластмассы в чудо техники. При этом большинство пользователей даже не задумывается о том, почему этот миниатюрный пластиковый кусочек обладает такой волшебной силой. Такие карты используются в сетях мобильной связи системы GSM и называются SIM-картами. Это название происходит от сокращения Subscriber Identification Module. SIM-карта вставляется в специальный слот (картоприемник) мобильного телефона. Каждый оператор мобильной связи для работы в своей сети выпускает специально запрограммированные SIM-карты, которые можно приобрести как с мобильным телефоном, так и отдельно. Следует отметить, что без SIM-карты пользоваться мобильным телефоном по прямому назначению практически невозможно, за исключением звонков по аварийным каналам.
Аналогичные карты применяются не только в сетях мобильной связи, но и как платежные карты, карты для телефонных автоматов, карты для декодирования сигналов спутникового телевидения, карты доступа в системах безопасности, а также карты для других устройств, где требуется высокая степень защищенности. Все эти карты имеют общее название — SMART CARD.
В настоящее время особой популярностью пользуются пластиковые карты, на которых записывается информация, позволяющая применять их не в одной, а в нескольких сферах. Это означает, что при помощи одной и той же карты можно рассчитаться за покупки, сделанные в магазине, и позвонить по мобильному телефону. Однако рассмотрение таких карт выходит за рамки настоящего издания.
К сожалению, в связи с ограниченным объемом предлагаемой книги автор не имеет возможности рассказать обо всех особенностях устройства и функционирования SIM-карт. Тем не менее перед началом рассмотрения некоторых специфических вопросов, касающихся проведения экспериментов с SIM-картой, автор считает необходимым ознакомить читателей с публикуемой далее информацией. Предлагаемые разъяснения не претендуют на академическую точность, поскольку отражают лишь общие вопросы в объеме, вполне достаточном для популярного издания. Также необходимо учитывать, что мобильные технологии стремительно развиваются. Поэтому не исключено, что к моменту выхода данной книги в свет некоторые сведения просто устареют.
Более подробную информацию по рассматриваемым далее вопросам можно найти на специализированных сайтах в сети Internet, а также в некоторых специальных российских и зарубежных изданиях.
Конструкция SIM-карты
В мобильных телефонах системы GSM информация о кодах доступа, а также данные, необходимые для идентификации абонента сети, записываются в микрочип, расположенный в пластиковой карте, которая по размерам совпадает с кредитной картой. В память такой карты также записываются и некоторые другие сведения, например информация о телефонных номерах, о коротких текстовых сообщениях (SMS) и т. п.
Основные нормы и правила, определяющие особенности конструкции пластиковых карт, установлены международным стандартом ICO 7816. Данный стандарт состоит из шести частей, но только три из них имеют основополагающее значение для SIM-карт стандарта GSM. В первой части определяются геометрические размеры и механические особенности пластиковых карт. Вторая часть посвящена картам с электронными чипами, их размещению и размерам. Третья часть указанного стандарта содержит нормы для электросигналов и коммуникационных протоколов.
Микрочип SIM-карты залит в пластмассовом корпусе типа STANDART, который, как уже указывалось, имеет для всех карт одинаковые размеры. От всех остальных карт отличаются только SIM-карты типа PLUG IN. Эти карты также имеют размеры типа STANDART, однако в них вокруг микрочипа имеется перфорация специальной формы, позволяющая при необходимости извлечь микрочип из SIM-карты и вложить в соответствующее приемное устройство, которое специально сконструировано для SIM-карт такого типа. Подавляющее число пользователей именно эту часть пластиковой карты называет SIM-картой. Дискуссия о том, насколько это соответствует действительности, также выходит за рамки данной книги.
Внешний вид и размеры пластиковой карты STANDART приведены на рис. 26.
Рис. 26. Внешний вид и размеры пластиковой карты типа STANDART
В первых мобильных телефонах сети GSM использовались SIM-карты типа STANDART. В коллекции автора сохранились несколько таких аппаратов (например, телефон модели International 7200 из серии MICRO ТАС от фирмы MOTOROLA). В настоящее время все мобильные телефоны сети GSM разрабатываются под SIM-карты типа PLUG IN.
Внешний вид и расположение контактов на SIM-карте типа PLUG IN приведены на рис. 27.
Рис. 27. Внешний вид и расположение контактов на SIM-карте типа PLUG IN
На поверхности SIM-карты расположены несколько контактных площадок. Рисунок этих контактов может быть разным, однако их взаимное расположение и количество должны отвечать требованиям международного стандарта ICO 7816. В соответствии с условиями, установленными данным стандартом, количество таких контактов должно составлять восемь. При этом в современных SIM-картах пока используются только 6 контактных площадок.
Первый контакт (С1) предназначен для подачи напряжения Vcc от внешнего источника питания. Через второй контакт (С2) подается сигнал RESET для микропроцессора. Контакт CLK (СЗ) предназначен для сигнала синхронизации. На пятый контакт (С5) подается нулевой потенциал Gnd. Через контакт I/O (С7) осуществляется обмен данными, иногда этот контакт обозначается как DATA.
На некоторых SIM-картах может быть задействован и контакт С6 для подачи напряжения программирования Vpp. Однако такие карты в последнее время в Европе почти не встречаются.
В настоящее время все чаще можно встретить SIM-карты, в которых не задействован и контакт CLK (С3). В таких картах генератор сигнала синхронизации является составной частью микропроцессора. Контактные площадки С8 иС4 пока являются резервными.
Следует добавить, что более подробную информацию о содержании норм и правил, устанавливаемых стандартом ICO 7816 для SIM-карт, можно найти в сети Internet или в специальной литературе.
Структура памяти SIM-карты
В подавляющем большинстве имеющихся в распоряжении автора SIM-карт разных европейских операторов сетей мобильной связи общий объем памяти составляли ROM-, RAM и EEPROM-память.
Содержимое памяти ROM (Read-Only Memory) записывается оператором сети и обычно содержит операционную систему, управляющую функционированием SIM-карты, а также шифровальные алгоритмы (например, АЗ и А8). Память ROM часто называют постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Объем этой памяти обычно составляет 4–6 Кб, но часто достигает величины 16 Кб.
Память RAM (Random-Access Memory) используется для обеспечения достоверного функционирования шифровальных алгоритмов, а также в качестве буфера при обмене данными. Память RAM часто называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Объем ОЗУ SIM-карты обычно составляет 126–160 байт, но часто достигает величины 256 байт.
Дословный перевод расшифровки английского сокращения EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) означает «электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ)». Эта энергетически независимая область памяти предназначена для записи специальной информации (например, код IMSI и ключ Ki), занимает, как правило, 2–3 Кб, но может достигать величины более 8 Кб.
Следует отметить, что указанные объемы памяти довольно приблизительны. Операторы сетей мобильной связи постоянно и небезуспешно работают над усовершенствованием SIM-карт. Например, чешский оператор T-MOBILE (PAEGAS) в начале 2004 г. приступил к распространению так называемых универсальных SIM-карт с объемом памяти 64 Кб. Помимо данных, необходимых для функционирования в сетях стандарта GSM, эти карты содержат алгоритм для работы в сетях UMTS. К особенностям таких SIM-карт следует отнести и поддержку протокола JavaCard 2.1.
Данные, записываемые на SIM-карту
В память каждой SIM-карты, используемой для работы с мобильными телефонами, записывается определенный набор сведений, с помощью которых обеспечивается функционирование как самой карты, так и мобильного телефона.
Всю совокупность данных, содержащихся в памяти SIM-карты, условно можно разделить на две группы. В первую группу автор включил бы информацию, которая записывается оператором сети мобильной связи и обеспечивает функционирование карты и телефона в определенной сети (неизменяемые данные). Во вторую группу входят сведения, которые может записывать владелец или пользователь (изменяемые данные).
Конечно, предлагаемое деление весьма условно, однако дает пользователю возможность получить хотя бы приблизительное представление о содержимом памяти SIM-карты.
Неизменяемые данные
Среди всей совокупности данных, записываемых в память SIM-карты и не подлежащих изменению, следует отметить операционную систему, код IMSI и ключ Ki, шифровальные алгоритмы (например, АЗ и А8), а также некоторые другие коды. Как уже указывалось, причисление указанных данных к числу неизменяемых довольно условно, поскольку при наличии соответствующих технических средств и программных ресурсов эту информацию можно не только успешно считывать, но и редактировать, стирать, заменять.
Основу карты SIM составляет микропроцессор, функционирование которого обеспечивается с помощью специальной программы. В качестве таких программ выступают различные операционные системы, предназначенные специально для применения в SIM-картах. Такая операционная система в первую очередь должна быть записана в память SIM-карты.
В состав сведений, записываемых в память SIM-карты оператором сети мобильной связи и обеспечивающих функционирование карты и телефона в определенной сети, в первую очередь входит кодовая комбинация IMSI (International Mobile Subscriber Identification). Число IMSI индивидуально для каждой SIM-карты и обеспечивает ее идентификацию в сети. Принадлежность к конкретной сети мобильной связи определяется первыми пятью цифрами кода IMSI.
Следующими важными параметрами, записываемыми в память SIM-карты оператором, являются индивидуальный идентификационный ключ Ki (Individual authentication key), шифровальный алгоритм А8, а также идентификационный алгоритм АЗ. С помощью ключа Ki и случайного числа RAND с использованием алгоритма А8 генерируется 64-битовый ключ Кс, а с помощью алгоритма АЗ из значения ключа Ki и числа RAND генерируется 32-битовый ответ SRES.
Идентификационный ключ Ki никогда не передается между оператором и мобильным телефоном. Его значение записано на конкретной SIM-карте, а также имеется у оператора в базе данных.
Для шифрования данных, передаваемых между мобильным телефоном и базовой станцией сети, используется ключ Кс. Эта операция осуществляется с применением алгоритма А8.
В памяти SIM-карты также записывается список разрешенных сетей, в которых мобильный телефон с данной картой имеет право работать. Идентификация SIM-карты для определенной сети осуществляется с помощью кодовых чисел TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и LAI (Location Area Identification).
В эту же группу параметров, записанных в память SIM-карты и условно названных неизменяемыми, следует отнести и значение кода PUK (Personal Unblocking Key). Этот код обеспечивает разблокирование SIM-карты после трехкратного неправильного ввода PIN-кода.
Значение кода PUK пользователь получает от оператора мобильной связи вместе с информацией о PIN-кодах при покупке SIM-карты. Обычно код PUK состоит из 8 цифр. Для его набора предоставляется обычно от 10 до 15 попыток, после чего, при вводе в очередной раз неправильного кода PUK, SIM-карта окончательно блокируется.
Коды PUK записаны в памяти SIM-карты, поэтому при использовании той же SIM-карты в другом мобильном телефоне значения этих кодов не изменятся. Следует отметить, что код PUK, в отличие от кодов PIN, всегда остается постоянным для конкретной SIM-карты и не подлежит изменению пользователем.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что главными параметрами, без которых практически невозможно осуществить, например, копирование SIM-карты, являются операционная система, а также значения идентификационного числа IMSI и идентификационного ключа Ki.
Изменяемые данные
Определенный объем памяти SIM-карты отведен для записи данных, которые необходимы пользователю при эксплуатации мобильного телефона. К ним относятся, например, телефонные номера, заносимые в записную книжку SIM-карты, SMS-сообщения, коды PIN и некоторая другая информация. При этом часть указанных сведений изначально записывается оператором сети, но впоследствии может быть изменена пользователем (например, коды PIN).
Среди сведений, которые записываются в память SIM-карты и могут быть изменены пользователем, в первую очередь следует назвать коды PIN (Personal Identification Number). Обычно таких кодов, содержащих от 4 до 8 знаков, бывает два.
Коды PIN записаны в память EEPROM карты SIM, поэтому при использовании той же SIM-карты в другом мобильном телефоне значения этих кодов не изменятся. Не следует забывать, что коды PIN1 и PIN2 в любой момент могут быть изменены пользователем.
При первом включении мобильного телефона с новой SIM-картой необходимо набрать код PIN1, который ограничивает доступ к несанкционированному использованию аппарата. Для доступа к использованию некоторых специальных функций, работу которых поддерживает оператор мобильной связи, применяется код PIN2.
Если любой из кодов PIN три раза подряд будет введен с ошибками, то SIM-карта блокируется. В этих случаях разблокирование осуществляется при помощи кода PUK1 (для кода PIN1) или PUK2 (для кода PIN2). Информация о значениях кодов PIN1 и PIN2 передается владельцу при покупке мобильного телефона с SIM-картой (или отдельно SIM-карты).
Помимо упомянутых данных значительное место в памяти SIM-карты отводится для записи и сохранения информации о телефонных номерах, содержащихся в записной книжке, а также для записи SMS-сообщений.
Некоторые особенности функционирования SIM-карты
Определенные особенности функционирования SIM-карты обусловлены как ее назначением, так и особенностями конструкции.
После того как карта SIM вставлена в картоприемник мобильного телефона, аппарат следует включить. При подаче напряжения питания на соответствующий контакт (С1) SIM-карта сразу переходит в режим ожидания поступления сигнала RESET. Этот сигнал формируется мобильным телефоном в виде логического нуля или логической единицы и должен быть подан на контакт RESET (С2). Сразу после наступления этого события на контакт CLK (С3) подается сигнал синхронизации.
На поступление этих двух сигналов SIM-карта должна отреагировать формированием и подачей на контакт DATA (С7) последовательности ATR (Answer То Reset). Если карта сформировала достоверный сигнал ATR, то телефон ее воспринимает, а на экране дисплея может отображаться соответствующее сообщение. После этого начинаются проверка кода PIN и регистрация SIM-карты в сети мобильной связи.
Если же сигнал ATR картой не сформирован, то телефон такую SIM-карту отвергает, при этом на экране дисплея обязательно появляется соответствующее сообщение.
Следует отметить, что мобильный телефон обычно формирует сигнал RESET сначала в виде логического нуля. После этого на контакт CLK подаются 40 000 циклов синхросигнала. Если SIM-карта на подачу этих сигналов не реагирует формированием последовательности ATR, то на контакт RESET подается сигнал высокого логического уровня, а на контакт CLK — следующая серия синхросигналов. В дальнейшем на выводе RESET постоянно будет сигнал того логического уровня, при котором сформировался сигнал ATR.
Как уже упоминалось, при включении мобильного телефона с активной функцией запроса PIN-кода SIM-карта формирует специальный сигнал, который инициирует появление соответствующего запроса на дисплее МТ. После ввода пользователем PIN-кода происходит сравнение введенных данных с информацией, хранящейся в памяти SIM-карты. При их совпадении начинается процесс регистрации абонента в сети. Если же введенный и записанный коды не совпали, то пользователю предоставляются еще две попытки для введения достоверного кода PIN. В том случае, когда пользователь три раза подряд ввел неправильное значение кода PIN, SIM-карта блокируется.
По желанию владельца выбирается режим использования кода PIN: этот код можно вводить при каждом включении мобильного телефона или деактивировать эту функцию. Аналогичная ситуация и с кодом PIN2. При троекратном неправильном вводе кода PIN2 возможность работы с функциями, доступ к которым он ограничивает, также блокируется. Разблокирование SIM-карты после некорректного троекратного ввода кода PIN (PIN2) осуществляется при помощи кода PUK (для кода PIN) или PUK2 (для кода PIN2). Значение кода PUK (PUK2) записано в память SIM-карты. При необходимости пользователь может изменить как код PIN, так и код PIN2. Их новые значения записываются в память SIM-карты. Значение кода PUK (PUK2) абонент изменить не может.
Следует отметить, что код PIN (если он не отключен) помимо функции защиты от несанкционированного использования SIM-карты выполняет еще одну важную задачу: без точной информации о значении этого кода осуществить клонирование (копирование) SIM-карты почти невозможно.
После успешной проверки кода PIN запускается процесс регистрации SIM-карты (абонента) в сети мобильной связи, который начинается с того, что на карту SIM от оператора через базовую станцию сети посылается 128-битовое случайное число RAND (от англ. random — «случайный», «беспорядочный»), С помощью идентификационного алгоритма АЗ из числа RAND и идентификационного ключа Ki генерируется 32-битовый ответный сигнал SRES (Signed Response), который пересылается оператору для сравнения данных.
После получения ответа оператор пересчитывает и сравнивает полученные данные с целью подтверждения их достоверности. При совпадении идентификационной информации, записанной на SIM-карте, с имеющейся в базе данных оператора, выдается положительный ответ на регистрацию пользователя в сети.
Алгоритм АЗ одинаков для всех SIM-карт одной сети, а ключ Ki, как и число IMSI, для каждой карты персонифицирован. В настоящее время большинство операторов сетей мобильной связи в качестве алгоритма АЗ применяют шифровальный алгоритм СОМР128. Исключение составляют лишь несколько компаний (например, немецкий оператор D1).
Для шифрования данных, передаваемых между мобильным телефоном и базовой станцией сети, используется ключ Кс. Эта операция осуществляется с применением алгоритма А8. В случае использования шифровального алгоритма СОМР128 на его основе формируется и кодовый ключ Кс, поэтому часто применяется понятие алгоритма АЗА8, или А38.
Идентификация SIM-карты для определенной сети осуществляется с помощью кодовых чисел TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и LAI (Location Area Identification).
Литература
1. Jozef Mach ml. Tester vysílačů dálkového ovládání // Praktická elektronika A Radio. - 2002. - № 1. - S. 5.
2. Detektor «štěnic» // Amatérské radio. - 2002. - № 10. - S. 23 (/-mixos/projects/pcb/rf/005/index_en.htm).
3. Josef Nikodem. Kontrolka pro sít'ový spínać // Praktická elektronika A Radio. - 1998. - № 2. - S. 7.
4. Regulátor teploty — .
5. Miniaturní vysílač FM // Praktická elektronika A Radio. - 1999. - № 9. - S.7 (Radioelektronik Audio-HiFi-Video. - 1999. -№ 1).
6. Bezdrátový mikrofon // Am'atérské radio. - 1996. - № 2. - S. 28.
7. Hledač kovu — .
8. Wolfgang Schuler. Vyhledávai technika pro profesionály. - Praha: BEN, 2002.- S. 54.
9. Michal Slánský. Zesilovač pro PC s TDA8560Q // Praktická elektronika A Radio. - 2002. - № 3. - S. 23.
10. Symetrický mikrofonní předzesilovač // Praktická elektronika С — STAVEBNICE A KONSTRUKCE. - 2000. - № 5. - S. 17.
11. Miniaturí zesilovač signálu // Konstrukční elektronika A Radio. - 2002. - № 4. - S. 23.
12. Адаменко М. В. Мобильные телефоны и ПК: секреты коммуникации. — М.: ДМК-Пресс, 2004. — С. 219.
Комментарии к книге «В помощь радиолюбителю. Выпуск 11», Михаил Васильевич Адаменко
Всего 0 комментариев