2.14. Электронно-релейное сторожевое устройство с емкостой памятью

2. 14. ЭЛЕКТРОННО-РЕЛЕЙНОЕ СТОРОЖЕВОЕ УСТРОЙСТВО С ЕМКОСТНОЙ ПАМЯТЬЮ

Настоящее устройство относится к группе сторожевых устройств, основу которых составляют электромеханические или электронные контакты, управляющие электромагнитными ИМ и образующие единую сторожевую систему. В этих системах управляющее напряжение подается, как правило, лишь при условии замыкания определенных контактов и в строго определенной последовательности. Включение электромагнита в таких устройствах приводит к перемещению его сердечника и стопора, связанного с механическим замком, после чего можно открывать замок обычным ключом или автоматически. Рассматриваемое сторожевое устройство предназначено для охраны стационарных объектов и в первую очередь жилых и производственных помещений: квартир, офисов, хозяйственных построек, складов, гаражей и т. д.

Изменяя вид ИМ, можно значительно расширить применяемость данного устройства, при этом само устройство принципиально сохраняется в неизменном виде. Например, можно в качестве ИМ использовать устройства звуковой или световой сигнализации, можно применить дополнительные блокировки при ошибках, допущенных при наборе шифра. Но в данном случае рассматривается очень простой вариант срабатывания ИМ при наборе трех цифр кода.

Принципиальная электрическая схема электронно-релейного сторожевого устройства с емкостной памятью приведена на рис. 2. 17. Работает устройство от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц через понижающий трансформатор. Электропитание основной схемы и исполнительных механизмов осуществляется стабилизированным напряжением 24 В постоянного тока. Электропитание сторожевого устройства от автономного вторичного источника питания не предусмотрено.

При конструировании данного сторожевого устройства рекомендуется выполнить его в виде самостоятельных функциональных узлов, связь между которыми должна осуществляться с помощью электрического монтажа. Для обеспечения этого условия в конструкциях отдельных блоков необходимо предусмотреть необходимое количество быстроразъемных соединений и приборных контактов, которые имеют минимальное переходное сопротивление. Условно всё устройство можно выполнить в виде трех блоков — самостоятельных сборочных единиц: БП, БЭ, блока исполнительных механизмов.

Достаточно трудоемкой для изготовления частью электронного сторожевого устройства является БП, выполненный на ППП. Схемно-техническое решение БП является традиционным, не включает в себя сложных

элементов и поэтому вполне доступно для повторения начинающими радиолюбителями. Изготовленный в домашней мастерской данный БП значительно расширяет возможности радиолюбительской лаборатории, дает возможность приобрести дополнительный опыт конструирования РЭУ с системой защиты и использовать данный БП в практических целях, так как он имеет высокие технические характеристики и безопасен при эксплуатации. Защитное устройство в БП позволяет также избежать порчи остродефицитных и дорогостоящих ЭРИ и ЭРЭ при перегрузках и коротких замыканиях. БП включает в свой состав входные цепи, сетевой понижающий трансформатор питания Т1, выпрямитель, емкостный фильтр, стабилизатор напряжения постоянного тока, защитное устройство с ограничением выходного тока при перегрузке и с контролем уровня выходного напряжения. Отличительной особенностью примененного защитного устройства является то, что оно срабатывает как при повышении, так и при понижении напряжения на нагрузке.

Защитный узел БП может быть использован в других ЭРИ в составе различных типов стабилизаторов, так как он проверен при эксплуатации и всегда дает положительный результат.

Блок питания выполнен на шести транзисторах VT1— VT6. Подключение БП к сети переменного тока осуществляется с помощью электрического соединителя X1 типа «вилка». Два плавких предохранителя F1 и F2 рассчитаны на ток срабатывания 0,5 А при полной нагрузке, защищают входные цепи и устройство от коротких замыканий при ошибках в монтаже. Установленные на входе БП два конденсатора С1 и С2 параллельно первичной обмотке трансформатора Т1 защищают устройство от низкочастотных помех, проникающих в сеть питания переменного тока. Включение и выключение электропитания обеспечивается однополюсным переключателем S1.

В БП использован самодельный сетевой понижающий трансформатор питания Т1, изготовленный на броневом магнитопроводе типа Ш или ШЛ. Активная площадь поперечного сечения стали основного стержня магнитопровода должна быть не менее 6,5 см^2. Выполнение этого условия обеспечивается шихтованным магнитопроводом типоразмера Ш25Х25. Можно применить магнитопровод ШЛ25Х32, ШЛМ25Х25, УШ20Х30. Сетевой трансформатор обеспечивает на выходе 33 В переменного напряжения в режиме холостого хода, заданное выпрямленное напряжение постоянного тока, а также полную гальваническую развязку между первичной и вторичными цепями устройства. Для намотки первичной обмотки трансформатора применен провод марки ПЭВ-1 диаметром 0,31 мм и провод марки ПЭВ-2 диаметром 0,76 мм для вторичной обмотки. Первичная обмотка содержит 1210 витков, вторичная — 182 витка.

При изготовлении сетевого трансформатора необходимо точно соблюдать технологические приемы для того, чтобы обеспечить заданные электрические параметры. Основные рекомендации по изготовлению и изоляции трансформаторов рассмотрены выше.

Сетевой понижающий трансформатор питания должен обеспечивать следующие электрические параметры и технические характеристики на протяжении всего периода эксплуатации:

Рабочий диапазон частот, Гц ................ 30...200

Номинальная мощность, Вт ................. 50

Резонансная частота, Гц, нс менее ............ 1000

Максимальное значение испытательного напряжения, В ............................ 500

Коэффициент нелинейных искажений на граничных частотах рабочего диапазона, %, не более . . 5

Коэффициент амплитудно-частотных искажении в

рабочем диапазоне частот, дБ ............. ±2

Максимальная амплитуда переменного входного

напряжения, В ........................ 280

Предельное отклонение сопротивления постоянному току, %, не более .................. ± 15

Максимальное напряжение на первичной обмотке

трансформатора, В ..................... 440

Сопротивление нагрузки трансформатора, кОм .... 0,01...20

Максимальное постоянное напряжение на обмотках трансформатора по отношению к шасси сторожевого устройства, В ................ 300

Коэффициент трансформации ................ 6,65

Сопротивление изоляции между обмотками, а также между каждой обмоткой и магнитопроводом, МОм, не менее ................ 20

Максимальное отклонение коэффициента трансформации, %, не более .................. ±5

Номинальное выходное напряжение переменного

тока на вторичной обмотке, В .............. 33

Выпрямитель сторожевого устройства собран по традиционной однофазной двухполупериодной мостовой схеме на четырех диодах VD1-VD4 средней мощности. Выпрямитель работает на емкостную нагрузку на оксидном конденсаторе С3. На выходе выпрямителя под нагрузкой действует постоянное напряжение 25 В, которое подается наi стабилизатор напряжения, собранный на транзисторах VT2—VT4.

Стабилизатор напряжения компенсационного типа обеспечивает необходимую стабильность. напряжения на нагрузке при помощи отрицательной обратной связи, воздействующей на РЭ. В состав компенсационного стабилизатора последовательного типа входят следующие основные функциональные узлы: РЭ, устройство сравнения и УПТ. Регулирующий элемент выполнен на составном транзисторе VT2, VT3. Схема стабилизатора собрана по классическому варианту, и в данном случае оригинальным решением является защитное устройство.

Защитное устройство, собранное на транзисторах VT1, VT5, VT6, работает следующим образом. При уменьшении выходного напряжения до 21 В или при увеличении выходного напряжения до 27 В при номинальном напряжении 24 В защитное устройство срабатывает, обесточивая стабилизатор напряжения. Основным ИМ защитного устройства является электромагнитное реле К1. При перегрузке или коротком замыкании, когда стабилизатор входит в аварийный режим, напряжение на нагрузке резко уменьшается и при его суммарном значении на стабилитронах VD10 и VD11 становится ниже действующего на них, транзистор VT5 закрывается. Начинает заряжаться конденсатор С5, и при определенном значении напряжения открывается транзистор VT1, срабатывает электромагнитное реле К1 и самоблокируется контактами К1.1. В это же время параллельно включенные контакты реле К1.2 и К1.3 размыкаются, обесточивая стабилизатор напряжения.

При повышении напряжения на нагрузке, которое вызовет также аварийный режим работы и будет выше напряжения стабилизации цепи стабилитронов VD12, VD13, откроется транзистор VT6, что в свою очередь приведет к закрыванию транзистора VT5 и отключению стабилизатора от выпрямителя так же, как и при понижении напряжения на нагрузке.

Конденсатор С1 играет роль буфера, который при первом включении еще не зарядился, тем самым он обеспечивает необходимую задержку включения. Этот конденсатор выполняет еще одну функцию — помехозащитною фильтра. Но основное время задержки срабатывания зависит от параметров электромагнитного реле К1. Максимальное время задержки составляет ориентировочно 20 мс.

Основными элементами сторожевого устройства и БЭ являются конденсаторы С8, С9 и С10, емкость которых рассчитана на определенное напряжение срабатывания электромагнитного реле КЗ, транзистор V'T7, выпрямительные диоды VD15-VD18, электромагнит ЭМ1 и детали коммутационные.

Шифровальный узел устройства включает в себя набор электрических соединителей Х2—Х25, перемычки, устанавливаемые между этими соединителями, и переключатели S2—S7. Конструктивно шифровальный узел рекомендуется расположить на лицевой плате БЭ. В данном случае удобно рассмотреть работу устройства при кодировании трехзначного числа.

Всегда первая цифра кода соответствует номеру кнопки первого переключателя S2, подключенной к гнездам Х2 и Х4, вторая цифра — номеру кнопки, подключенной к гнездам соединителей Х6 и Х8, третья — номеру кнопки, подключенной к гнездам соединителей Х10 и Х12. Для того чтобы сработало устройство охраны, кнопки должны быть нажаты в порядке установленного шифра. Кнопки переключателей S5—S7 являются некодовыми, и в случае нажатия любой из них устройство не сработает. В данном случае установлен шифр 123.

Для установления другого шифра необходимо сделать перетрассировку перемычек, соединяющих их. Например, если потребуется установить шифр 624, необходимо Х22 соединить с ХЗ, Х24 с Х5; Х6 с Х7, Х8 с Х9;

Х14 с X11, Х16 с Х13. Остальные пары соединителей можно устанавливать в любом порядке. Например, Х2 с Х15, Х4 с Х17, Х10 с Х19, Х12 с Х21; Х18 с Х23, Х20 с Х25.

Таким образом, цифры, указанные над переключателями S2—S7, являются цифрами будущего шифра, а цифры, стоящие в кавычках (также с 1 до б), указывают на порядок счета при нажатии кнопок. Любая верхняя на схеме цифра кода — с 1 до 6 — имеет только ей принадлежащую пару контактных соединителей. Поэтому при изготовлении кодировочного узла очень удобно объединять эти пары и включать одновременно в гнезда, устанавливающие порядок счета. Так, цифре кода, обозначенной 1, соответствуют контакты соединителей Х2 и Х4, цифре 2 — контакты Х6 и Х8 и т. д. Соединять пары контактов Х2 и Х4, Х6 и Х8 и т. д. можно с любыми парами контактов дешифратора. Заметим еще раз, что контакты соединителей ХЗ и Х5 обозначены цифрой 1, контакты Х7 и Х9 — цифрой 2, X11 и Х13 — цифрой 3, Х15 и Х17 — цифрой 4, Х19 и Х21 — цифрой 5 и Х23 и Х25 — цифрой 6. Цифры дают только порядок считывания зашифрованного кода, который не изменяется в данной схеме.

При нажатии первой кнопки S2 конденсатор С8 начинает заряжаться напряжением, которое снимается с резистора R13 (по расчету — до 85% его номинального значения). Срабатывает первая цифра кода. При нажатии на вторую кнопку переключателя S3 до такого же напряжения начинает заряжаться конденсатор С9; при нажатии третьей кнопки S4 конденсатор С10 заряжается до полного напряжения, действующего на резисторе R13. Таким образом, суммарное напряжение на конденсаторах С8—С10 после набора правильного шифра 123 будет составлять только 27% напряжения, снимаемого с резистора R13 и достаточного для срабатывания электромагнитного реле КЗ. При правильном нажатии лишь двух кнопок шифра напряжение на конденсаторах С8— С10 окажется недостаточным для срабатывания этого реле. В случае нажатия любой другой кнопки переключателей S5—S7 конденсаторы тут же разрядятся через диоды VD15—VD18 и сторожевое устройство вернется в исходное состояние.

После правильного набора шифра необходимо нажать кнопку переключателя S8. При этом на базу транзистора VT7 будет подано напряжение отрицательной полярности, транзистор VT7 откроется и сработает электромагнитное реле КЗ. Контакты этого реле КЗ.3 включат электромагнит, который своим сердечником связан с механическим замком, и он откроется. Одновременно контакты КЗ.2 подключат резистор R12 к базе транзистора, а через контакты реле КЗ.1, резистор R13 и диоды VD15—VD17 конденсаторы С8—С10 разрядятся. При отпускании кнопки переключателя S8 база транзистора VT7 вновь соединится с плюсом источника питания, транзистор закроется и устройство возвратится в исходное состояние. При изготовлении сторожевого устройства использованы следующие покупные и самодельные комплектующие ЭРИ и ЭРЭ: транзисторы VT1 типа КТ203А, VT2 — КТ803А, VT3 — КТ81В, VT4 — КТ814В, VT5 — КТ203Б, VT6 — КТ203Б, VT7 — П214; конденсаторы С1 типа МБМ-11-750В-0,01 мкФ, С2-МБМ-11-750В-0.01 мкФ, СЗ — К50-6-50В 50 мкФ, С4 — K50-6-50В-4000мкФ, С5-К73-17-63В-1мкФ С6-К-10-17-50В-П33-100нФ, С7 — К53-1А-30В-б,8 мкФ, С8-К50-3-15В-10 мкФ, С9 — K50-3-15B-68 мкФ, С10 - К50-3-15В-400 мкФ;

резисторы R1-типа ВСа-0,5-330Ом, R2-ВСа-0,25-110 Ом R3-ВСа-0,25-680 Ом, R4 — ВСа-0,5-10 кОм, R5 - ВСа-0,5-2,7 кОм, R6 — ВСа-0,25-15 кОм, R7 — ВСа-0,25-10 кОм, R8 — ВСа-0,25-2,7 кОм, R9 — ВСа-0,25-2,7 кОм, R10 — ВСа-0,25-10 кОм, R11 — ВСа-0,25-2,7 кОм, R12 — ВСа-2-390 Ом, R13 — ВСа-0,5 160 Ом; выпрямительные диоды VD1—VD4 типа Д242Б, VD5 — КД522Б, VD15 — Д220, VD 16 — Д220, VD17 - Д220, VD18 — Д220; стабилитроны VD6 типа Д818А, VD7 - Д818А, VD8 — Д818А, VD9 — Д818А, VD10 — Д814Г VD11 — Д814Г, VD12 — Д814Д, VDI3 — Д814Д, VD14 — Д818А; электрические соединители X1 типа «вилка» с электрическим кабелем длиной 1,5 м, Х2—Х25 типа КМЗ-1 или сдвоенные контактные пары соединителей; плавкие предохранители F1 и F2 типа ПМ-1-1,5 А; переключатели S1 типа П1Т-1-1, S2-S7 - КМ1-1, S8 - КМ1-1; электромагнитные реле К1 типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.122), К2 — РЭС-6 или электромагнит самодельной конструкции, КЗ — РЭС-22 (паспорт РФ4.500.163); сетевой понижающий трансформатор питания Т1 броневой конструкции типа Ш (УШ, ШЛ).

При изготовлении, регулировке и ремонте сторожевого устройства могут быть использованы другие комплектующие ЭРЭ. Например, вместо резисторов типа ВСа можно применить резисторы типов МЛТ, ОМЛТ, МТ, С 1-4, С2-8 и другие, можно применить оксидные конденсаторы типов К50-6, К50-12, К50-16, К50-20. Вместо реле типа РЭС-22 можно применить реле типа РЭС-6 (паспорт РФО.452.131), вместо транзистора типа КТ803 — КТ819Б, КТ819В, КТ819Г, КТ827А, КТ827Б, транзистор типа КТ815В можно заменить на транзисторы типов КТ815Б, КТ801Б, КТ817Б, а КТ814В — на КТ814Г.

Настройка БП обеспечивается подборкой цепи стабилитронов VD10, VD11 так, чтобы их суммарное напряжение стабилизации было равно 21 В, а цепи VD12, VDI3 — 26,5...27 В. Налаживание БЭ сводится к правильному выбору сопротивления резистора R13, падение напряжения на котором должно обеспечить достаточный заряд конденсаторов С8, С9 и С10.

Основные электрические параметры и технические характеристики электронно-релейного сторожевого устройства с емкостной памятью

Номинальное напряжение читающей сети переменного тока, В....................... 220

Номинальное напряжение стабилизированною

постоянного тока, В................... 24

Номинальная частота питающей сети переменного тока, Гц ......................... 50

Коэффициент нелинейных искажений питающей

сети переменного тока, %, нс более ......... 12

Пределы изменения напряжения питающей сети

переменного тока, В .................... 180...240

Пределы изменения частоты питающей сети неременного тока, % ..................... ±1

Коэффициент стабилизации выпрямленного напряжения постоянного тока, нс менее ........ 300

Суммарное напряжение стабилизации на стабилитронах, В:

VD10—VD11 ......................... 21

VD12—VD13 ......................... 26.5...27

Амплитуда пульсации выходного напряжения при токе нагрузки до 1,5 А, мВ, не более ......... 2

Максимальный ток нагрузки на выходе стабилизатора напряжения, А ................... 4,5

Напряжение срабатывания защитного устройства,

В (нижнее и верхнее значения) ............. 21 и 27

Напряжение питания реле, В ............... 24

Количество одновременно охраняемых объектов ... 1 Время срабатывания сторожевого устройства при правильном наборе шифра, мс, не более ...... 2

Срок службы, ч, не менее .................. 5000

Вероятность безотказной работы устройства при

риске в=0,95, не менее .................. 0,97

Сопротивление изоляции токоведущих проводников монтажа между собой и металлических частей сторожевого устройства, МОм, не менее ....... 20

Помехозащищенность устройства при воздействии

внешнего электромагнитного поля, дБ, не менее . 120 кпд, %, не менее ........................ 80

Условия эксплуатации:

температура окружающей среды, С ......... —25...+45

относительная влажность воздуха при температуре 25 °С, %, не более ............... 92±3

атмосферное давление воздуха, мм рт. ст. ..... 200...900

Рис. 2.17. Принципиальная схема электронно-релейного сторожевого устройства с емкостной памятью.