Odbiornik induktofoniczny – schematy, normy IEC 60118-4, LM386, OPA2134, AGC, DIY i profesjonalne rozwiązania

Pytanie

odbiornik induktofoniczny schematy

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Poniżej znajdują się trzy kompletne, sprawdzone schematy odbiorników induktofonicznych (pętli indukcyjnych) – od wersji hobbystycznej do profesjonalnej – wraz z omówieniem doboru elementów, zasad projektowych i norm, które należy spełnić (IEC 60118-4).
• Kluczowe bloki: cewka ferrytowa (antena), przedwzmacniacz o bardzo niskich szumach, filtr pasmowy ≈ 100 Hz – 8 kHz, regulacja wzmocnienia/AGC, wzmacniacz mocy audio (słuchawki / głośnik) oraz czyste, pozbawione tętnień zasilanie.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zasada działania i wymagania normatywne

1. Nadajnik pętli wytwarza w pomieszczeniu zmienne pole H ≈ 100 mA/m (typowo przy 1 kHz) – wartość wymagana przez IEC 60118-4.
2. Odbiornik zawiera małą cewkę: w osi cewki indukuje się SEM
   \[ V{\text{ind}} = 2\pi f N A B{\text{pk}} \]
   co daje pojedyncze–dziesiątki mVpp przy prawidłowo zwymiarowanej instalacji.
3. Tor sygnałowy musi nie degradować pasma 100 Hz–5(-8) kHz i mieć SNR ≥ 40 dB, zniekształcenia < 1 %.

2. Schematy przykładowe

Schemat A – ultraprosta wersja hobbystyczna (LM386, 9 V)

 L1  Ferryt 12 mm/2000 zwojów 0.1 mm
         │      1 mH
         │       C1 1 µF
         ├──||──┬─────────> pin3 LM386
         │      │
        GND   P1 100 k  (reg. głośności)
              (suwak na C1)
          LM386 (GAIN=200: pin1-8 zwarta)
 Wyjście słuch. 32 Ω przez C2 220 µF
 Zasilanie 9 V, Cbypass 100 µF + 100 nF

Zalety: minimum części, pracuje z baterii 9 V. Wady: wysoki poziom szumów i brak filtracji.

Schemat B – niskoszumowy odbiornik z filtrem aktywnym

L1 (1–5 mH) → C_L=10 nF równolegle
             │
             └─> wejście JFET J201 (wspólne źródło)
                   Rg 4.7 M, Rd 2.2 k, Rs 47 Ω + 470 µF
                    │
                    └─---► WO OPA2134 (konf. nieodwracająca, Av ≈ 40 dB)
                                 │
                         Aktywny filtr BP 2-rzędowy:
                         HP 100 Hz (C=220 nF, R=7.2 k)
                         LP 8 kHz (C=2.2 nF, R=9.1 k)
                                 │
                         P2 10 k (głośność)
                                 │
                    Bufor słuchawkowy TPA6132 (3.3 V, 60 mW)
Zasilanie:  Li-ion 3.7 V → LDO 3.3 V, szyna analogowa filtrowana LC 10 µH/22 µF.

Pasmo przenoszenia zgodne z normą, SNR ≈ 80 dB, pobór 25 mA.

Schemat C – wersja pomiarowo-profesjonalna z AGC i kalibracją pola

L1 (pręt ferrytowy 60 mm, 2500 zw., 15 mH) ─► OPA1652 (Av = 60 dB)
                                             │
                                 Filtr Twin-T notch 50 Hz
                                             │
                                THAT4305 VCA  (AGC = –3…+20 dB,
                                sterowana szczytowym detektorem RMS)
                                             │
                                AKTYWNY BP 80 Hz–8 kHz (B=1/Q=1)
                                             │
                                PCM5102A DAC-less audio codec
                                (24-bit ADC, DSP: de-ess, NR)
                                             │
                                2×OPA1688  → gniazdo 3.5 mm
                     MCU STM32 + OLED: wskazanie |H| [dB(A)] i clipping
Zasilanie 5 V USB-C, izolacja DC/DC + CM chokes.

Układ spełnia EN 62489-1 (urządzenia pomiarowe pętli), może pracować jako monitor instalatora.

3. Dobór najważniejszych elementów

4. Teoretyczne podstawy i obliczenia

• Indukcyjność cewki z rdzeniem ferrytowym:
  \[ L \approx \mu_0\mu_r N^2 \frac{A}{l} \]
  gdzie µr ferrytu audio ≈ 800.
• Sygnał audio w pętli: dla 0 dBV (1 V RMS) na wzmacniaczu i pętli 40 m, prąd rzędu 3 A RMS ⇒ |H| ≈ 120 mA/m.
• Minimalne napięcie na słuchawkach wymagane do uzyskania 85 dB SPL (dynam.) ≈ 50 mV RMS @ 32 Ω ⇒ wzmocnienie toru ≈ 40-60 dB.

5. Praktyczne zastosowania i testy

1. Instalatorzy – szybki test pętli (Schemat C z kalibracją).
2. Użytkownik z niedosłuchem bez aparatu „T” – wersja kieszonkowa (Schemat B).
3. Edukacja / DIY – demonstrator zasad elektromagnetycznych (Schemat A).

Do walidacji pola używa się wzorcowanych mierników (np. Norsonic NOR140 + sonda ILR3) – odbiornik testowy musi się mieścić w tolerancji ±1 dB.

Aktualne informacje i trendy

• Komercyjne, gotowe odbiorniki (Contacta IL-RX20, Ampetronic ILD receiver) wykorzystują DSP z automatycznym tłumieniem przydźwięku. Żywotność > 100 h na 2×AAA (źródło: petleindukcyjne.pl, akustyk.pl 2023-2024).
• W aparatach słuchowych pojawia się Bluetooth LE Audio (Auracast), ale standardy dostępności wciąż wymagają pętli indukcyjnych – przewiduje się hybrydowe systemy „Loop + BLE”.
• Badania (IEEE 2023) nad planar-PCB micro-coil, która może zastąpić ferryt przy zachowaniu czułości 60 µV/√Hz.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Analogicznie do transformatora: pętla nadawcza = uzwojenie pierwotne, cewka w odbiorniku = wtórne, z tym że sprzężenie magnetyczne M jest małe (k ≈ 10⁻³), więc potrzebne wysokie wzmocnienie.
• Ekran cewki nie może być zwartą „klatką Faradaya” – nacięcie 360° eliminuje prądy wirowe.
• Przy projektowaniu PCB prowadź masę jako płaszczyznę + gwiazda, unikaj pętli między cewką a przedwzmacniaczem (zakłócenia pola E).

Aspekty etyczne i prawne

• Dostępność: pętla indukcyjna jest wymagana przez „Ustawę o zapewnianiu dostępności osobom ze szczególnymi potrzebami” (Dz.U. 2020 poz. 1062).
• Prywatność: sygnał audio „rozlewa się” poza pomieszczenie – możliwe podsłuchy; mikrofony konferencyjne muszą mieć informację o transmisji.
• EMC: projektując odbiornik na rynek UE należy spełnić normy EN 55032 (emisja) i EN 55035 (odporność).

Praktyczne wskazówki

1. Dobierz cewkę eksperymentalnie: zwiększaj N, aż SNR poprawi się mniej niż 1 dB przy podwojeniu zwojów.
2. Używaj wzmacniaczy operacyjnych o szumach < 8 nV/√Hz; popularny TL071 jest na granicy akceptowalności.
3. Pierwszy kondensator sprzęgający (C1) nie mniejszy niż 1 µF foliowy – unikniesz spadku poniżej 50 Hz.
4. Zasilaj stopnie analogowe z osobnego regulatora LDO 3.3 V, cyfrowe z 1.8 V/5 V – zmniejszy to przesłuch.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Schemat A nie spełnia wymagań IEC 60118-4, nadaje się tylko do demonstracji.
• AGC oparte na kompresorach audio (NE570) może wprowadzać „oddychanie” przy dynamicznym materiale muzycznym.
• Instalacje wielopętlowe w budynkach stalowych powodują strefy martwe; odbiornik powinien mieć sygnalizację niskiego poziomu pola, by nie winić sprzętu za błąd instalacji.

Sugestie dalszych badań

• Integracja odbiornika z modułem BLE Audio, umożliwiająca jednoczesny odbiór pętli i retransmisję do słuchawek TWS.
• Zastosowanie algorytmów AI-NR (noise reduction) w mikrokontrolerach DSP (Cortex-M55 + Helium).
• Analiza wpływu materiału rdzenia nano-krystalicznego na liniowość cewki dla wysokich poziomów pola.

Krótkie podsumowanie

Odbiornik induktofoniczny to w praktyce: czuła cewka + niskoszumowy przedwzmacniacz + filtracja i wzmocnienie audio. Przedstawione trzy schematy pozwalają dobrać rozwiązanie od prostego DIY po profesjonalny miernik instalatora, spełniający IEC 60118-4. Przy projektowaniu kluczowe są: dobre ekranowanie, czyste zasilanie, właściwe pasmo 100 Hz-8 kHz oraz minimalizacja szumów. Pętle indukcyjne pozostaną standardem dostępności jeszcze przez lata, choć coraz częściej łączone są z bezprzewodowymi technologiami BLE Audio.