Схема входного каскада устройства сигнализации с запоминающим устройством
В устройстве по схеме на рис. 4.40 применяется интегральная микросхема К155ЛА8, причем используется только два из четырех элемента 2И-НЕ.
Если триггер находится на большом расстоянии от контакта, необходимо предусмотреть обычные, уже описанные выше меры по предотвращению ложных срабатываний (установка RС-цепочки на входе триггера). Особое значение для обеспечения надежности подобных устройств имеет надежность срабатывания контакта. Микровыключатель, например, подвержен воздействию атмосферных условий. Поэтому через контакты должен течь лишь определенный минимально допустимый ток (или должно подаваться определенное минимально допустимое напряжение) для предотвращения образования на них нагара и т. д. Сила тока (напряжение) в большой степени зависит от типа контактов и их материала. Например, для кажущегося «особенно надежным» большого 10-амперного микропереключателя минимально допустимый ток составляет уже 100 мА, если речь идет о замыкании контактов. И наоборот, можно следовать такому ориентировочному правилу: контактные устройства, предназначенные для меньших максимальных токов, особенно пригодны для небольших «линейных токов» в качестве, например, сильноточных контактных устройств. Это необходимо учитывать также тогда, когда пружины контактов играют роль и самих контактов. При этом рекомендуется предусмотреть параллельное резервирование для нормально разомкнутых контактов. Правда, ток в этом случае распределяется на несколько контактов. Для схем с нормально замкнутыми контактами более целесообразным является последовательное резервирование, чтобы предотвратить возможное «залипание» контактов. Тогда из двух последовательно включенных контактов сработает (с соответствующей вероятностью) по меньшей мере один (рис. 4.41).
Герметические контакты также имеют ограничения минимального тока, который в большинстве случаев достаточно мал — менее 1 мА. Кроме того, эти контакты не подвержены влиянию окружающей среды. Приведенные достоинства могут оправдать высокие затраты, связанные с их приобретением и установкой.
Постоянные магниты, необходимые для таких контактов, можно взять от магнитных защелок, применяемых при изготовлении мебели. Наиболее удобное их расположение показано на рис. 4.42. Защелка может быть использована целиком, в сборе. Параллельные металлические пластинки формируют магнитное поле.
Если сигнализатор о состоянии двери или окна должен быть расположен на каком-то расстоянии от них, потребуется прокладка проводов. Для любителей это не должно оставаться без внимания. С первых же самоделок необходимо вести запись всех таких проводников с указанием места и направления прокладки, а также цвета проводов и типа соединений. Общим правилом должно быть максимально возможное удаление этих проводов от электросети. Это правило вытекает не только из требований техники безопасности, но и из условий обеспечения надежности работы электронных самодельных устройств.
Из экономических соображений для связи всех контролируемых мест в первую очередь можно рекомендовать, пожалуй, последовательное включение датчиков, расположенных в этих местах, что потребует лишь одной одножильной кольцевой линии. Но при этом контакты должны быть нормально замкнутыми. При разрыве какого-либо из этих контактов срабатывает сигнализация. Однако информация о том, в каком месте произошел разрыв, отсутствует. Использование нормально разомкнутых контактов требует по меньшей мере одного двухжильного проводника. Но и в этом случае неизвестно, в каком месте сработал контакт. Достоинством обоих вариантов является простота их реализации. Схематически они представлены на рис. 4.43. По сравнению с устройствами сигнализации об ограблении условия эксплуатации описываемых здесь устройств менее критичны: их можно не рассчитывать на «варварство». Благодаря этому отпадает необходимость, например, в установке проволочной перемычки, которая замыкает цепь в случае самопроизвольного размыкания контакта (о чем можно получить сигнал, например, за счет изменения сопротивления при установке в цепи этой перемычки резистора определенного сопротивления).
Рис. 4.42. Наиболее удобное расположение мебельных магнитов для герметических контактов: а — установка без скобы; б — установка со скобой
Рис. 4.41. «Резервирование» контактов для повышения надежности срабатывания:
а — параллельное включение нормально разомкнутых контактов; б — последовательное включение нормально замкнутых контактов
Рис. 4.43. Основные типы линий, связывающих места расположения контактов в устройствах сигнализации (без возможности выявления места срабатывания контакта):
а — однопроводная линия связи нормально замкнутых контактов, включенных последовательно; б — двухпроводная (или из двухжильного провода) линия связи нормально разомкнутых контактов
Сигнальное устройство с большим числом контактов удобно реализовать на базе цифровых микросхем. При этом несколько контактов могут объединяться в одну группу и подаваться на входы одной микросхемы. Однако эту возможность лучше оставить для самых квалифицированных любителей, так как проводники большой длины, ведущие к цифровым микросхемам, легко приводят к ложным срабатываниям, что требует проведения таких мероприятий, которые, например, предусмотрены на рис. 4.40 (при использовании нормально разомкнутых контактов емкость конденсаторов должна быть довольно большой, чтобы импульс тока их зарядки не приводил бы к залипанию контактов; здесь целесообразно ставить лакопленочные конденсаторы емкостью 1 мкФ).
Рис. 4.44. Использование логической схемы И-НЕ на входе устройства оптической сигнализации о состоянии четырех контрольных мест
Рис. 4.45. Два варианта подачи сигнала тревоги с помощью схемы по рис. 4.44:
а — управление режимом работы n-р-n транзистора, входящего в схему генератора сигнала; б — инвертирование выходного сигнала с помощью второй микросхемы И-НЕ для управления генератором по рис. 4.36 (часть, начиная с точки Е')
В соответствии с принципом действия логической схемы И-НЕ при подаче на ее входы потенциалов уровня Н через них текут очень малые токи, что позволяет собрать на базе такой схемы сигнализирующее устройство на лампах (рис. 4.44), лампы могут быть рассчитаны на напряжение 6 В и ток 0,05 А, вместо них можно поставить светодиоды (с балластными резисторами).
Емкость конденсатора С составляет 0,01 мкФ. При срабатывании какого- либо контакта происходит короткое замыкание соответствующего входа микросхемы, благодаря чему загорается лампа, включенная между этим входом и плюсовым проводом. На выходе логический уровень L сменяется уровнем Н. Эта смена сигнала на выходе может быть использована непосредственно (для управления входом n-р-n транзистора) или после инвертирования (для управления работой генератора, описанного в разделе 4.4.3). Оба этих варианта пояснены на рис. 4.45. Преимуществом этого простого устройства сигнализации является то, что, с одной стороны, замыкание любого из контактов приводит к запуску сигнала тревоги и, с другой стороны, загорание соответствующей лампы (или ламп) позволяет сразу же определить место срабатывания контакта. Если подача сигнала должна продолжаться только во время срабатывания контакта, пусть даже кратковременного, то возможно применение простейшего варианта — с R5-триггером по рис. 4.40. Его ставят сразу же за логической схемой, т. е. без удлинительных проводов. Такое решение объединяет относительно малую чувствительность сильно «заблокированных» входов микросхемы с возможностью хранения сигнала с помощью триггера. По этому принципу построено устройство сигнализации о состоянии двух контрольных мест, которое может быть собрано на одной микросхеме D100 (рис. 4.46). Смена уровня L на уровень Н (при появлении сигнала на выходе Q за счет короткого нажатия на кнопку S, сброс которой происходит только при устранении причины подачи сигнала) может быть использована для включения генератора звуковой частоты. В схеме по рис. 4.40 микросхема с несколькими входами может быть подключена непосредственно к триггеру, что позволит с помощью верхней микросхемы производить наблюдение за состоянием нескольких контрольных мест. Если же при кратковременном срабатывании какого-либо контакта должен «раздаваться» не только положительный сигнал, но и должна постоянно отображаться информация о месте расположения этого контакта, каждому контрольному месту должен соответствовать свой триггер.
Рис. 4.46. Устройство сигнализации о состоянии двух контрольных мест с дальнейшей передачей и хранением сигнала с помощью триггера
В устройстве по схеме на рис. 4.46 используется интегральная микросхема К155ЛАЗ.
Рис. 4.47. Миниатюрное устройство сигнализации о состоянии трех контрольных мест с генератором звуковой частоты
Еще более экономичным, чем устройство по рис. 4.46, является миниатюрное устройство, представленное на рис. 4.47. Одна микросхема D110 не только обеспечивает наблюдение за состоянием трех контрольных мест (с помощью нормально замкнутых контактов S1...S3), но и акустическую сигнализацию (правда, с различной громкостью звука) с помощью входящего в ее состав генератора. Однако здесь не производится запоминание сигнала тревоги, он звучит только в течение замыкания контакта. Отключение контактов S выявляет сработавший контакт.
В устройстве по схеме на рис. 4.47 можно использовать интегральную микросхему К155ЛА4. к 7
Большое значение отношения сигнал/шум дает возможность использовать КМОП-микросхемы для устройств сигнализации с минимальным током в состоянии покоя. Если, например, применить нормально разомкнутые контакты, то при этом решается и проблема токов, текущих через контакты, тем более, если включены светоизлучающие диоды с высоким КПД. Такое устройство показано на рис. 4.48. Когда цепочка КМОП-микросхем находится в состоянии покоя, транзистор оконечного каскада закрыт (на выходе последней микросхемы — потенциал уровня L). При замыкании одного из контактов (или двух) на выходе первой микросхемы появляется уровень Н, который запускает генератор звуковой частоты, собранный на второй и третьей микросхемах. Напряжение низкой частоты усиливается транзисторным оконечным каскадом. При использовании светодиодов вместо ламп накаливания необходима установка балластного резистора; при ожидаемой сигнализации одновременно с нескольких контролируемых мест такой резистор должен быть предусмотрен для каждого диода.
Оптимальной для сборки этого устройства является микросхема, содержащая три элемента И-НЕ. При этом можно установить три контакта и получать информацию с помощью диодов, излучающих свет трех цветов: зеленого, желтого и красного. Контакты S1...S3 и в этом случае позволяют выявить сработавший контакт или отключить его. В этом устройстве также не предусмотрена возможность запоминания сигнала тревоги.
Рис. 4.48. КМОП-микросхемы позволяют собрать сигнальное устройство, более надежное, чем с помощью ТТЛ-схем
В устройстве по схеме на рис. 4.48 используется интегральная микросхема, аналогичная К176ЛА9. Транзистор может быть КТ602Б или КТ801 Б.
Все описанные варианты устройств сигнализации неполны: в них отсутствует выключатель, необходимый для случаев, когда окно или дверь должны оставаться открытыми. Простейшим является отключение сигнализатора. Можно предусмотреть и уменьшение громкости звука, который все-таки будет постоянно напоминать, что, например, окно еще открыто.
Между вариантами «тревога в любом случае» и полным отключением возможно промежуточное решение с реле времени. Но установка реле времени в месте расположения контакта требует прокладки дополнительных проводов или его автономного питания. Кроме того, такое реле необходимо устанавливать для каждого контакта, что может быть оправдано максимум при двух-трех контактах. При использовании реле времени оно «удерживает» устройство сигнализации от подачи сигнала до тех пор, пока само оно находится в нестабильном состоянии. При этом реле времени остается разомкнутым при включении его последовательно с нормально разомкнутым контактом или замкнутым при включении параллельно нормально замкнутому контакту (рис. 4.49). При большем числе контролируемых мест с первого взгляда кажется более целесообразной установка центрального выключателя, который требует только одного дополнительного провода. Но следует подумать о том, что выключение всего устройства сразу не оптимально. В этом случае может оказаться, например, что в течение «периода молчания» на время открывания двери в детской комнате откроется окно!
Рис. 4.49. Включение сигнального устройства с задержкой с помощью реле времени ( положение контактов соответствует моменту срабатывания контакта при открывании окна или двери; S — контакт запуска реле времени):
а — сигнальное устройство и реле времени имеют нормально разомкнутые контакты; б — сигнальное устройство и реле времени имеют нормально замкнутые контакты
Относительно оригинальное решение (по сравнению, например, с дополнительно требуемым реле в реле времени — при той же самой схеме) возможно при использовании герметических контактов. При этом контакты удерживаются в замкнутом положении постоянным магнитом, закрепленным на двери или окне, и размыкаются при их открывании. Но если сработает реле времени, то несмотря на открывание двери или окна оно будет удерживать контакты замкнутыми в течение определенного времени. Понятно, что микровыключатель реле времени должен быть расположен на такой высоте, на которой его не может достать ребенок.
На рис. 4.50 представлены два возможных варианта реле времени, позволяющих получать задержку от нескольких секунд до нескольких минут и использовать для включения устройства сигнализации как нормально замкнутый (НЗ), так и нормально разомкнутый (HP) контакты благодаря «нейтральному» выходному сигналу реле, как это показано на рис. 4.49. Пока контакт на окне или двери замкнут на массу, для питания реле времени достаточно одного проводника от плюсового вывода центрального блока питания. При этом если питание производится от батареи, то для реле времени, которое всегда работает лишь кратковременно, также можно предусмотреть отдельную батарею (например, с одним из рассмотренных ниже устройств контроля за ее состоянием). При кольцевом проводе в случае последовательного включения контактов в контролируемых местах и общем источнике питания необходимы, однако, два проводника. Но такая схема может быть реализована и с одним центральным реле времени, так как последовательное включение не позволяет получать сигналы одновременно с нескольких контролируемых мест.
И наконец, следует рассмотреть современный вариант устройства сигнализации, собранного на одной КМОП-микросхеме (содержащей четыре логические схемы И-НЕ, каждая из которых имеет два входа) и одном или двух транзисторах в оконечном каскаде (в зависимости от требуемой выходной мощности).
Рис. 4.50. Реле времени (S — контакт запуска реле):
а — на транзисторах; б — на КМОП-микросхеме (с помощью одной КМОП-микросхемы, содержащей четыре логические схемы И-НЕ, можно собрать два реле времени)
Эта схема уже была кратко описана как составная часть одного из устройств подачи вторичного телефонного вызова (раздел 4.4.3). Она позволяет довольно несложно реализовать децентрализованное независимое от сети устройство сигнализации с регулируемой задержкой срабатывания.
В варианте, представленном на рис. 4.51, на двери или окне устанавливается нормально замкнутый контакт. При этом речь может идти как о герметическом нормально замкнутом контакте, удерживаемом постоянным магнитом, так и о микровыключателе. Конденсатор задержки, включенный параллельно контакту, замкнут накоротко через резистор ограничения тока, предназначенный для предотвращения перегрузки импульсом тока этого конденсатора при его разрядке. Таким образом, на входе первой логической схемы имеется уровень L, на ее выходе — Н, на выходе второй схемы, следовательно, опять L, третьей — Я и четвертой — L. Благодаря этому транзистор, подключенный к выходу последней схемы через резистор ограничения тока, заперт. При размыкании контакта происходит зарядка конденсатора с постоянной времени т=С R через резистор сопротивлением 100 кОм. По достижении напряжением на конденсаторе значения 1,8 В (значение, замеренное на образце) тактовый генератор, собранный на первой и второй логических схемах и до сих пор запертый коротко замкнутым контактом, начинает работать. В ритме этой низкой частоты подачи тактовых импульсов начинается генерирование звуковой частоты генератором, образованным следующими двумя схемами.
Полученные в результате периодические последо вательности колебаний звуковой частоты поступают на транзистор и далее на громкоговоритель или телефонный капсюль (потребляющий малый ток и вполне достаточный по слышимости). Время задержки подачи сигнала можно менять в широких пределах (простейший вариант — вместо постоянного резистора R поставить потенциометр).
Таким образом, устройство, собранное по описанной схеме, дает определенное время на то, чтобы открыть и снова закрыть дверь без подачи сигнала тревоги. Однако конденсатор задержки можно включать и затем снова отключать с помощью выключателя, известного только «посвященным». Такой же результат можно получить за счет отключения резистора, включенного со стороны плюсового вывода источника питания, причем показанный на схемах штриховыми линиями резистор поддерживает на входе микросхемы потенциал массы. Но его сопротивление должно быть и достаточно велико, чтобы при указанных на схемах номиналах элементов время задержки мало зависело от конденсатора. И наконец, можно использовать нормально замкнутый контакт и через него соединить вход обратной связи микросхемы с массой. Задержка теперь произойдет только в том случае, если незадолго перед открытием двери или окна конденсатор будет разряжен с помощью выключателя. В этом случае в цепь обратной связи также вводится резистор, показанный штриховыми линиями. Тактовая частота при этом несколько снижается.
Все эти схемы обеспечивают подачу сигнала тревоги до тех пор, пока контакт в контролируемом месте выведен из исходного состояния. Поэтому в них можно ввести цепочку самоудержания, как это показано на рис. 4.52. Это устройство подает на управляющий вход первой логической схемы потенциал уровня Н, как только импульс сигнала появляется на выходе четвертой схемы (постоянная времени задержки цепочки самоудержания составляет около 10 мс). Резистор сопротивлением 1 МОм обеспечивает на входе микросхемы логический уровень L, пока контакт не сработал.Перед клавишей «Выкл.», с помощью которой можно прервать процесс генерирования, также установлен резистор ограничения тока. В остальном схема дополнена лишь разделительным диодом, без которого вход микросхемы через замкнутый контакт сразу же замыкался на массу.
