3.10. Быстро-перестраиваемое сторожевое устройство
Это несложное электронное
устройство от ранее рассмотренных отличается как кодированием, так и съемно-логическим
решением. Цифровой блок построен на ИМС, которые обладают высокой экономичностью,
что позволяет питать его и от автономного источника, и от сети переменного тока.
Электронное сторожевое устройство широкого применения выполнено по принципу
кодирования информации простым переключением контактов, которое осуществляется
в любое время по желанию хозяина собственности. Поэтому данное изделие относится
к числу электронных устройств автоматического действия с многотысячными вариантами
шифрования. Рассматриваемый в составе сторожевой системы БЭ предназначен для
установки на входных бронированных дверях жилых, производственных и хозяйственных
помещений от вторжения посторонних лиц и злоумышленников, не знакомых с установленным
в данный момент шифром.
Простота шифрования устройства
и запоминания кода и достаточная ясность работы электронного быстроперестраиваемого
сторожевого устройства позволяют использовать его для охраны гаражей, складских
помещений и хозяйственных построек на приусадебных и садово-огородных участках.
Многочисленные варианты кодирования не позволяют открыть устройство простым
перебором (для открывания замка таким способом потребовалось бы несколько месяцев
непрерывной работы). Механическая часть замка здесь не рассматривается.
Устойчивая и надежная работа
сторожевого устройства обеспечивается от сети переменного тока напряжением 220
В, реже 127 В частотой 50 Гц или от аккумуляторной батареи с номинальным выходным
напряжением постоянного тока 12 В. Подключается аккумуляторная батарея к малогабаритным
приборным зажимным контактам Х2 и ХЗ, соблюдая полярность.
Принципиальная электрическая
схема рассматриваемого сторожевого устройства, собранного на трех ИМС типа К176,
приведена на рис. 3. 16. Как следует из схемы, в состав устройства входят устройство
подключения к источникам электропитания, сетевой понижающий трансформатор питания
Т1, два выпрямительных устройства, емкостный фильтр, стабилизатор напряжения,
выполненный на биполярных транзисторах, кодирующее устройство, электронный блок
счетно-решающего устройства и ИМ.
Входное устройство включает
в свой состав электрический соединитель X1 типа «вилка», смонтированный
с электрическим кабелем и обеспечивающий подключение сторожевого устройства
к сети переменного тока; плавкие предохранители F1 и F2, защищающие
входные цепи устройства от перегрузок и коротких замыканий, которые могут произойти
из-за неправильной сборки и ошибок в монтаже схемы, а также из-за неисправных
комплектующих ЭРЭ; индикаторную лампочку H1, сигнализирующую о готовности
сторожевого устройства к работе; конденсаторы С1 и С2, обеспечивающие
защиту от низкочастотных электромагнитных помех, которые проникают в сеть питания;
два малогабаритных зажимных контакта Х2 и ХЗ, рассчитанных на
подключение одного соединения.
Сетевой понижающий трансформатор
питания Т1 самодельной конструкции изготавливается на броневом ленточном магнитопроводе
типа ШЛ с одной катушкой, которая устанавливается на центральном стержне. Площадь
активного поперечного сечения стали магнитопровода должна быть не менее 6 см2.
Моточные данные сетевого трансформатора Т1 приведены в табл. 3.15. Первичная
обмотка трансформатора имеет отвод от 1270-го витка для подключения к сети переменного
тока напряжением 127 В. На выходе обмоток трансформатора действует переменное
напряжение 6,3 В и 13 В. При изготовлении трансформатора необходимо обеспечить
повышенную прочность электроизоляции между слоями обмоточного провода и между
обмотками различными изоляционными материалами: лакотканью, изоляционными
лаками, конденсаторной бумагой и др. -
Таблица
3.15. Моточные данные сетевого понижающеготрансформатора
питания Т1, примененногов быстро
перестраиваемом сторожевом устройстве
Намотка провода на катушку — рядовая, однослойная. Сетевой трансформатор
обеспечивает расчетные значения выходных и выпрямленных напряжений постоянного
тока, гальваническую развязку вторичных цепей сторожевого устройства от сети
переменного тока высокого напряжения и необходимую электробезопасность при эксплуатации.
Первый выпрямитель предназначен
для создания постоянного напряжения 13 В, обеспечивающего работу электронной
части принципиальной схемы сторожевого устройства. Выпрямитель создан на двух
выпрямительных диодах VD1, VD2, собранных по двухполупериодной схеме
со средним выводом вторичной обмотки трансформатора. Выпрямитель по этой схеме
характеризуется повышенной частотой пульсации выпрямленного напряжения, возможностью
использования выпрямительных диодов с общим катодом (или анодом), что значительно
упрощает их установку на общем радиаторе охлаждения, а также повышенным обратным
напряжением на комплекте выпрямительных диодов и более сложной конструкцией
сетевого трансформатора. Выпрямитель работает на емкостный фильтр,
собранный на конденсаторах СЗ—С5. Оксидныи электролитический конденсатор
С5 имеет большую емкость.
С выпрямителя постоянное
напряжение поступает на стабилизатор напряжения, собранный по компенсационной
схеме и создающий высокий уровень стабилизации напряжения на нагрузке. Стабилизатор
напряжения относится к нерегулируемым устройствам и имеет в своем составе устройство
сравнения, РЭ, УПТ и устройство защиты от перегрузок и коротких замыканий в
электронной схеме сторожевого устройства. В качестве РЭ в стабилизаторе применен
транзистор VT4. Опорное напряжение снимается со стабилитрона VD9.
Устройство защиты собрано на стабилитроне VD8, транзисторе VT1 и
резисторах R3 и R4. Между базой и эмиттером транзистора VT1
действует разность напряжений. Величина этой разницы зависит от протекающего
через резистор R4 тока нагрузки. В номинальном режиме работы через резистор
R4 протекает ток нагрузки, и на нем падает очень небольшое напряжение,
которое подается на базу транзистора VT1, а напряжение на эмиттере этого
транзистора стабилизировано стабилитроном VD8, включенным в прямом направлении.
.
Быстроперестраиваемое сторожевое
устройство состоит собственно из электромеханического замка, работающего от
ИМ (электромагнита, соленоида, электромагнитного реле и др.), и управляющей
электронной схемы, которая обеспечивает автоматическую подачу сигнала на открывание
замка. Кодирование памяти электронной схемы осуществляется замыканием контактов
девяти переключателей S6—S14 в соответствующие положения. Эти переключатели,
как следует из схемы, имеют всего два положения: «выключено» и «включено». Положение
«включено» соответствует сигналу «да» или высокому уровню логической единицы,
а положение «выключено» — сигналу «нет» или низкому уровню логического нуля.
Работа сторожевого устройства,
включающего в себя счетно-решающий электронный узел, основана на использовании
принципа подсчета девятиразрядной кодовой комбинации цифр, которая, в свою очередь,
представляет собой произвольное чередование логических уравнений «да» и «нет»
(логическая единица или логический нуль). Девятиразрядный шифр вырабатывается
ИМС DA3, на выходе
которой установлены импульсные диоды VD11-VD19 и однополюсные переключатели
S6- S14. Набор шифра осуществляется двумя переключателями S4 и
S5, которые имею переключающие группы контактов, не фиксируемых в нажатом положении.
Команда на срабатывание ИМ в открывание дверей охраняемого объекта происходит
только при правильном наборе шифра.
Собранный в составе БП
узел защиты электронной схемы работает следующим образом. При коротком замыкании
и перегрузках в выходных цепях, когда ток нагрузки превышает допустимый, падение
напряжения на резисторе R4 открывает транзистор VT1, выключает
стабилитрон VD9, и ток через регулирующий транзистор VT4 резко
ограничивается. В результате этого нагрузка обесточивается и выключается. Защита
электронного узла по данной схеме срабатывает при токе, не превышающем 0,5А,
и может регулироваться изменением сопротивления резистора R4.
Выпрямленное и стабилизированное
напряжение постоянного тока поступает на узел кодирования и дешифрования, собранный
на трех ИМС DA1—DA3. При этом ИМС DA3 выполняет функцию счетчика-дешифратора.
Декодирующее устройство содержит два двухполюсных переключателя S4 и
S5, при помощи которых последовательно осуществляется дешифрование счетного
узла. ИМС DA1 представляет собой RS-триггер, который срабатывает от первого
замыкания контактов одного из переключателей S4, S5 и не реагирует на
последующие ошибочные включения. ИМС DA2 представляет собой устройство,
запрещающее дальнейший счет импульсов вводимого кода после первой ошибки в наборе.
В том случае, когда набираемый шифр не совпал с установленным в любом разряде
счетчика, на выходе второго триггера ИМС DA2 появляется высокий уровень
логической единицы, который запрещает дальнейший счет. Но внешне это никак не
проявляется. Последующие нажатия на любые кнопки переключателей S4 и
S5 уже не изменяют состояние счетчика до тех пор, пока сторожевое устройство
не будет возвращено в исходное положение. И каждое последующее нажатие на кнопки
постоянно увеличивает время нахождения ИМС DA3 в состоянии, предшествующем
ошибке в наборе шифра. После прекращения нажатий на кнопки
переключателей S4
или S5 по истечении временной задержки на выходе инвертора ИМС DA1 появляется
высокий уровень логической единицы, переключающий триггер ИМС DA2 и счетчик
ИМС DA3 в состояние низкого уровня логического нуля.
Необходимо также заметить,
что в сторожевом устройстве предусмотрен узел задержки времени срабатывания,
состоящий из электрической цепочки DA1, VD20, С5, R19, R20. При ошибке
в наборе шифра это устройство позволяет повторить попытку только после определенно
заданного интервала времени. Если начать повторный набор шифра до истечения
времени этого интервала, то срабатывания сторожевого устройства и открывания
механического замка не последует даже при правильном наборе. Это важное свойство
сторожевого устройства может знать только хозяин.
В схему сторожевого устройства
включен оптрон DU1, обеспечивающий передачу сигнала на срабатывание ИМ,
полную гальваническую развязку между источником питания ИМ и электронной частью
сторожевого устройства, а также дополнительную электробезопасность эксплуатации
изделия в целом.
Работу сторожевого устройства
контролируют с помощью индикаторной лампы H1 и светодиода VD10.
При включении устройства в сеть переменного тока загорается индикаторная лампа
H1, а при срабатывании механической части замка после правильного набора
шифра — светодиод VD10 красного или зеленого цвета.
На принципиальной электрической
схеме сторожевого устройства показано положение электронной схемы при всех отключенных
контактах переключателей S6—S14, которое соответствует низкому уровню
логического нуля, то есть набора нет. При правильном наборе шифра сигнал высокого
уровня логической единицы с выхода ИМС DA3 (вывод 11) открывает ключевой
транзистор VT2, что приводит к срабатыванию оптрона DU1, а вслед
за ним — тиристора VD7, включающего электропитание исполнительного электромагнита
или соленоида, и механический замок открывается.
Если за период временной
задержки дверь охраняемого объекта не будет открыта, сторожевое устройство возвращается
в исходное состояние, соответствующее нулевому состоянию второго триггера ИМС
DA2 и счетчика-дешифратора ИМС DA3.
В быстропереcтраиваемом
сторожевом устройстве применены следующие покупные и самодельные комплектующие
ЭРИ и ЭРЭ: сетевой понижающий трансформатор питания Т1 типа ШЛ броневой
конструкции; ИМС DA1 типа К176ЛА7, DA2 — К176ТМ2, DA3 К176ИЕ8;
транзисторы VT1 типа МП42, VT2 — КТ315Г, VT3 — МП42, VT4
— П213; выпрямительные диоды VD1 типа Д226Д, VD2 Д226Д, VD3
VD6 - КД202Р, VD11-VD19 — КД522А, VD20 — КД522А, VD21
- КД105Б;
стабилитроны VD8
типа Д814Д, VD9 — Д814Д; тиристор VD7 типа КУ202Н; светодиод VD10
типа АЛ307А; оптрон DU1 типа АОУ103Б; ИМ К1 (электромагнит, соленоид
или электромагнитное реле); индикаторная лампа Н1 типа МН-6,3-0,22 А; плавкие
предохранители F1, F2 типа ПМ1-0.5 A, F3 — ПMl-0,25 A; переключатели S1 типа П2Т-1-1,
S2, S3 — П1Т-1-1, S4, S5 — МПЗ-1, S6—S14 — МТ1-2; конденсаторы
С1 типа К40У-9-630В-0,033 мкФ, С2 — К40У-9-630В-0,033 мкФ, С5 —
К50-6-25В-500 мкФ, С4 — К10-7В-50В-2200 пф, СЗ — К10-7В-50В-2200
пФ, С6 — К50-6-25В-500 мкФ, С7 — ЭТО-20В-1.5 мкФ; резисторы R1
типа ВСа-0,5-2,2 кОм, R2 — ВСа-1-2,4 кОм, R3 — ВСа-1-620 Ом, R4
— проволочный самодельный, намотан на резисторе ВСа-2-2 Ом нихромовым проводом
диаметром 0,1 мм, R5 — ВСа-0,5-750 Ом, R6 — ВСа-0,25-470 Ом, R7
— СПЗ-1б-0,5Вт-2,2 к0м, R8 — ВСа-0,5-1,2 кОм, R9 — ВСа-0,25-10
кОм, R10 — ВСа-0,25-470 Ом, R11 — ВСа-0,5-4,3 к0м, R12 —
ВСа-0,25-2,4 к0м, R13 — ВСа-2-10 к0м, R14 — ВСа-0,25-1 к0м, R15
— ВСа-0,125-100 к0м, R16 — ВСа-0,25-82 к0м, R17 — ВСа-0,125-27
к0м, R18 — ВСа-0,5-27 к0м, R19 — ВСа-0,125-27 к0м, R20 — ВСа-0,125-4,7
к0м, электрические соединители X1 типа «вилка» с электрическим кабелем
длиной не менее 1,5 м, Х2, ХЗ — КМЗ-1.
При регулировке и ремонте
электронной части сторожевого устройства некоторые ЭРИ и ЭРЭ могут быть заменены
другими аналогичными элементами, не ухудшающими основные электрические параметры
и эксплуатационные характеристики сторожевого устройства. Например, сетевой
понижающий трансформатор питания Т1 можно заменить на унифицированный
трансформатор типа ТПП, ТН, ТС или ТТ; конденсаторы типа К50-6 — на К50-3, К50-12,
К50-16, К50-20; резисторы типа ВСа — на МЛТ, ОМЛТ, ВС, МТ, УЛИ, C1-4, C2-8;
диоды типа Д226Д — на Д237А, Д237Е, КД202В, диоды типа Д202Р — на Д234Б, Д248Б,
КД206В, диоды типа КД522А — на КД509А, КД510А, КД513А. Рекомендации по замене
транзисторов рассмотрены выше, в первой главе.
Необходимо заметить, что
выбор нового шифра осуществляется переключением контактов выключателей
S6—S14 в течение
нескольких секунд, поэтому данное устройство относится к числу быстроперестраиваемых.
Изготавливается сторожевое
устройство в виде двух самостоятельных блоков: БП и БЭ. Блок питания имеет максимальные
размеры 130Х110Х80 мм, выполнен в виде прямоугольника с лицевой панелью, верхней
и нижней крышками, в которых предусматриваются вентиляционные отверстия, расположенные
в местах установки тепловыделяющих элементов. На лицевой панели БП устанавливаются
индикаторная лампочка Н1,держатели предохранителей F1 и F2, клеммы
Х2 и ХЗ, на которых действует постоянное стабилизированное напряжение
9 В, и ручки управления переключателями S2 и S3.
Блок электроники изготавливается
в пластмассовом корпусе с размерами 140Х35Х50 мм. На верхней крышке корпуса
располагаются: индикаторная лампочка (светодиод), ручки управления переключателей
S6—S14, приборные малогабаритные зажимные контакты А и Б,
контакты для подключения электропитания ИМ Х4 и Х5 к сети переменного
тока и контакты Х6 и Х7 для подключения исполнительного устройства,
которое устанавливается непосредственно на входной двери охраняемого объекта.
Все комплектующие элементы БЭ монтируются на печатной плате из одностороннего
фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм.
При изготовлении лицевых
панелей БП и БЭ сторожевого устройства необходимо вырезать много прямоугольных
и круглых отверстий разного размера, которые выполняются по предварительной
разметке, сделанной на миллиметровой бумаге и заранее наклеенной на лицевую
панель.
Необходимо еще раз обратить
внимание на правильность установки и пайки микросхем серии К176. При этом меры
предосторожности не сводятся только к тому, чтобы защитить корпус микросхемы
от недопустимых деформаций. Конструкция должна обеспечивать эффективный отвод
тепла за счет конвекции воздуха или с помощью теплоотводящих элементов. Должно
быть обеспечено высокое качество паяных соединений. И не менее важным обстоятельством
при работе с микросхемами этой серии является необходимость соблюдения специальных
мер защиты от повреждений статическим электричеством. Жало паяльника заземляется,
на руку надевается заземляющий браслет в виде манжеты, а электропитание паяльника
должно осуществляться только через понижающий сетевой трансформатор, обеспечивающий
полную гальваническую развязку.Часто в распоряжении радиолюбителя имеются микросхемы,
подходящие по функциональному назначению, но нет технической возможности для
такой замены. В этом случае можно изготовить плату-переходник из фольгированного
стеклотекстолита. Новую схему монтируют на этой плате, которую соединяют с печатной
платой. При хранении ИМС, некоторых типов транзисторов (особенно полевого типа)
выводы таких ЭРЭ закорачивают между собой, как правило, медным проводником или
алюминиевой фольгой.
Примененные в устройстве
микросхемы относятся к структурам КМОП, и поэтому вышеприведенная рекомендация
для снятия статического электричества является особенно важной. При создании
устройств с микросхемами, примененными в сторожевом устройстве, типы конденсаторов
и значения их емкостей выбираются из расчета: емкость электролитического конденсатора
на одну микросхему должна быть не менее 0,03 мкФ.
Создание электронных сторожевых
устройств на ИМС со структурой КМОП сопряжено с необходимостью учитывать технологию
их изготовления. Известно, что эти микросхемы подвержены губительному влиянию
статического электричества. Опасное значение электрического потенциала составляет
примерно +100 В постоянного тока. Пайку выводов этих микросхем следует начинать
с выводов питания, но затем последовательность пайки может быть любой.
Дополнительно следует заметить,
что микросхемы по технологическим приемам изготовления подразделяются на определенные
типы, основными из которых являются микросхемы ТТЛ — транзисторно-транзисторной
логики; ТТЛШ — ТТЛ с диодами Шоттки;
КМОП — микросхемы комплементарной структуры типа металл — окисел — полупроводник.
Основные
электрические параметры и технические характеристики быстроперестраиваемого
сторожевого устройства
Номинальное
напряжение питающей сети
переменного
тока, В .................. .220 или 127
Номинальная
частота питающей сети
переменного
тока, Гц ................ .50
Номинальное
напряжение автономного источника
электропитания
постоянного тока, В ........9
Коэффициент
нелинейных искажении питающей сети
переменною
тока, %, не более ............. 12
Пределы изменения
напряжения питающей сети
переменного
тока, В .................... 180.... .250 или 110…
.140
Пределы изменения
частоты питающей сети
переменного
тока, Гц .................... 49,5… 50,5
Пределы изменения
напряжения автономного
источника
электропитания сторожевого устройства
постоянного
тока, В ..................... 8.... 14
Напряжение
на вторичной обмотке сетевого
трансформатора
Т1 при номинальном напряжении
питающей сети
220 В, В .................. 26 (выводы 4 и 6)
Напряжения
на выводах вторичных обмоток
трансформатора
Т1 при изменении напряжения
питающей сети
oт 180 до 250В, В:
4 и
5 ............................. 10,6…14,7
5 и 6 .
............................ 10,6…14,7
7 и 8
. ............................ 5,1… 7,1
Коэффициент
стабилизации выпрямленного напряжения, не менее ................... 500
Амплитуда
пульсации выпрямленного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя, мВ,
не более ............................ 10
Номинальный
ток питания ИМ замка. А, не более . . 0,5 Ток срабатывания защитного устройства
в БП при коротком замыкании, А .......... 0,3
Мощность,
потребляемая сторожевым устройством в ждущем режиме работы, мВт, не более .
. . . . . 20
Время срабатывания
сторожевого устройства
после правильного
набора шифра, мс, не более . . 40
Время задержки
в наборе шифра при ошибке, с . . . 3-20
Вероятность
безотказной работы устройства
при риске
заказчика в=0,9, не менее ......... 0,89
Срок службы
устройства, ч, не менее .......... 7000
Помехозащищенность
сторожевого устройства от ложных срабатываний при воздействии внешнего электромагнитного
поля в полисе частот от 0,15 до 30 МГц, не менее . . . . . . . . . . . . . .
. 60
Сопротивление
изоляции токоведущих частей и проводников устройства между собой и металлическим
корпусом, МОм, не менее . . . . . 5
