2.15. Малогабаритное охранное устройство с дискретным управлением

2.15. МАЛОГАБАРИТНОЕ ОХРАННОЕ УСТРОЙСТВО

С ДИСКРЕТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Данное электронное охранное устройство, собранное на ППП и микросхемах, предназначено для установки на входных дверях жилых и производственных помещений и может эксплуатироваться в условиях УХЛ, ХЛ и В. Работает охранное устройство от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. При этом электропитание ИМС осуществляется стандартным номинальным напряжением 5 В.

Рассматриваемое охранное устройство может быть использовано также для блокировки открывания обычных врезных и накладных механических замков, устанавливаемых па наружных и внутренних дверях охраняемых объектов бытового и хозяйственною назначения, например на садово-огородных участках. При этом может быть обеспечена дополнительная защита открывания дверей, так как даже при наличии необходимого ключа замок невозможно открыть без знания пятизначного кода. Это достигается незначительной конструктивной доработкой, например врезного механического замка, заключающейся в установке дополнительного стопорного устройства, работающего от маломощного тягового электромагнита или от заменяющего его электромагнитного реле. Эта работа вполне доступна начинающему радиолюбителю в своей лаборатории.

Охранное устройство может быть рекомендовано также для установки на воротах гаражей и складских помещений при эксплуатации в условиях повышенной влажности (до 98%) и при температуре окружающей среды от —35 до 45 °С.

Устройство, принципиальная схема которого изображена на рис. 2.18, характеризуется высокими электрическими параметрами и техническими характеристиками, повышенной надежностью, долговечностью и устойчивостью к внешним механическим нагрузкам, в том числе вибрациям, потребляет малую мощность при работе и имеет сравнительно небольшие размеры. Это обеспечивается достаточно простым схемно-техническим решением и удобным конструктивным исполнением. Технология изготовления устройства определяется возможностями радиолюбителя, оснащением его домашней мастерской.

Комплектующие ЭРИ, входящие в схему охранного устройства, являются неотъемлемой частью системы, в которую дополнительно входят механический замок врезной или накладной конструкции, стопорное устройство защелки, ИМ, который приводится в действие от электромагнита или соленоида. Как следует из схемы, охранное устройство включает в свой состав входные цепи, конденсаторный фильтр, сетевой понижающий трансформатор питания Т1, выпрямитель, работающий на емкостный фильтр стабилизатор напряжения, кодозадающее устройство с дешифратором, ИМ.

Входные цепи обеспечивают подключение охранного устройства к сети переменного тока и защиту его электронной части от проникающих в сеть питания электромагнитных помех. Фильтр собран на двух конденсаторах С1 и С2 со средней точкой, замкнутой на землю. Плавкие предохранители F1 и F2 защищают устройство и его элементы от коротких замыканий и перегрузок, они рассчитаны на максимальный ток срабатывания 2 А. Подключается охранное устройство к питающей сети с помощью стандартного электрического соединителя типа «вилка» X1. После замыкания контактов двухпозиционного переключателя S1 напряжение начинает поступать на первичную обмотку трансформатора и одновременно загорается неоновая индикаторная лампа Н2. Напряжение на исполнительный электромагнит (ЭМ1) не поступает, так как тринистор VS1 находится в закрытом состоянии.

В составе БП устройства использован унифицированный сетевой понижающий трансформатор питания Т1 броневой конструкций типа ТПП. При отсутствии покупного трансформатора радиолюбитель сможет изготовить самодельный трансформатор по данным, приведенным в табл. 2.17. Изготавливается трансформатор на броневом магнитопроводе типа Ш, УШ или ШЛ (ШЛМ), активная площадь поперечного сечения стали которого должна быть не менее 6 см2.

Броневые трансформаторы характеризуются следующими достоинствами: наличием только одной катушки с обмотками по сравнению со стержневыми трансформаторами, более высоким заполнением окна магнитопровода обмоточным проводом, частичной защитой от механических повреждений катушки с обмотками ярмом магнитопровода. Пластинчатые магнитопроводы типа Ш или УШ собираются из отдельных пластин встык или внахлест. При сборке встык все пластины составляются вместе и располагаются одинаково; в этом случае магнитопровод состоит из двух частей, которые соединяют вместе. При сборке встык облегчаются сборка и разборка трансформатора.

Таблица 2. 17. Моточные данные сетевого понижающего трансформатора питания Т1, примененного в малогабаритном охранном устройстве с дискретным управлением

При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон сердечника. Сборка внахлест уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода, но усложняет сборку и разборку трансформатора. Начинающим радиолюбителям рекомендуется изготавливать магнитопровод методом шихтования из пластин электротехнической стали, если нет готового витого ленточного магнитопровода.

Самодельный трансформатор содержит три обмотки:

одну первичную, рассчитанную на напряжение 220 В переменного тока, и две вторичные обмотки, необходимые для получения заданного уровня выпрямленного напряжения постоянного тока. На вторичных обмотках сетевого трансформатора действует переменное напряжение 4...5 В при холостом ходе.

Сетевой трансформатор обеспечивает полную гальваническую развязку вторичных цепей электронной схемы устройства от сети переменного тока и надежную защиту и электробезопасность при наладке и регулировке. Рекомендации по технологическим операциям изготовления трансформатора в домашней мастерской рассмотрены выше, в них особое внимание обращается на сопротивление изоляции.

На выводах вторичных обмоток сетевого трансформа тора собран выпрямитель, на выходе которого действуем напряжение постоянного тока 5 В. Выпрямитель работает на емкостный фильтр, выполненный на оксидных конденсаторах. В данном устройстве для преобразования напряжения применена однофазная двухполупериодная мостовая схема, она имеет как положительные, так и отрицательные характеристики, которые ранее отмечались при рассмотрении подобных охранных устройств.

Выпрямитель собран на четырех диодах VD1—VD4 малой мощности, средний прямой ток которых не менее 1 А, а импульсное прямое напряжение — не менее 600 В. В качестве выпрямителя может быть применен блок или сборка диодов, выполненных в единой конструкции, например КЦ402А. Основным преимуществом данного выпрямителя по сравнению с другими схемами является большая частота пульсации, что позволяет уменьшить емкость конденсатора фильтра и габариты сетевого трансформатора. Преимущество мостовой схемы в том, что вторичная обмотка трансформатора питания имеет вдвое меньшее число витков, чем при двухфазной схеме, хотя для двухфазной схемы понадобится только два диода. Однофазный выпрямитель по мостовой схеме из всех вариантов двухполупериодных выпрямителей обладает наилучшими технико-экономическими показателями. Режим работы выпрямителя определяется в основном типом фильтра, включенного на его выходе. Емкостные фильтры применяются в выпрямителях, рассчитанных на малые токи нагрузки.

Конденсатор фильтра включается параллельно нагрузке для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель зависит от емкости конденсатора, сопротивление которого для переменной составляющей много меньше сопротивления нагрузки.

Напряжение постоянного тока, сглаженное емкостным фильтром, подается на простейший стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе VT1 и стабилитроне VD5. Стабилизатор напряжения автоматически поддерживает постоянство напряжения на нагрузке с заданной точностью. Транзисторный стабилизатор напряжения содержит параметрический стабилизатор,

собранный на кремниевом стабилитроне и регулирующий транзистор средней мощности. Применение мощного транзистора позволяет получить гораздо больший выходной ток, чем только от параметрического стабилизатора с таким же стабилитроном.

Следует заметить, что примененный стабилизатор напряжения, отличаясь предельной простотой, обладает существенным недостатком: даже при кратковременном коротком замыкании в нагрузке регулирующий транзистор выходит из строя. По этой причине, а также учитывая низкое значение коэффициента стабилизации и относительно большое выходное сопротивление, в схеме можно применить стабилизатор с двумя транзисторами и защитой от перегрузок.

Стабилизаторы напряжения постоянного тока с двумя транзисторами различной структуры, приведенные на рис. 2.19, имеют примерно на порядок более высокие значения коэффициента стабилизации и на порядок меньше значения выходного сопротивления, чем стабилизатор, примененный в схеме на рис. 2.16. И одновременно стабилизаторы, изображенные на рис. 2.17, можно сделать нечувствительными к коротким замыканиям и перегрузкам, добавив диод и резистор, обозначенные на схемах штриховыми линиями.

Рекомендованную замену схемы стабилизатора напряжения могут выполнить более опытные радиолюбители. При этом транзистор VT1 можно монтировать на радиаторе охлаждения без изоляционных прокладок, если в стабилизаторе по схеме на рис. 2.19, а, с корпусом устройства соединен положительный полюс стабилизированного напряжения, а в устройстве по схеме на рис. 2.19, б,— отрицательный полюс. Например, использован стабилитрон Д814В (Д810) и применены транзисторы VT1 типа П214, VT2 — МП38А (рис. 2.19, а) или транзисторы VT1 — П702, VT2 — МП40 (рис. 2.19, б);

R1 — МЛТ-0,25-560 Ом.

В данном устройстве в качестве ИМ может быть использован электромагнит или соленоид, показанный на рис. 2.12. Обмотка содержит 4000 витков провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,41 мм. Подвижной сердечник соленоида должен свободно перемещаться в катушке.

Кодозадающее устройство с дешифратором включает в свой состав четыре триггера, собранных на элементах микросхемы DA1.1 с выводами 1, 2 и 3; DA1.2 с выводами

Рис. 2.19. Принципиальные схемы стабилизаторов напряжения:

а — на транзисторах р-n-р-структуры: б — на транзисторах n-р-n-структуры.

4, 5 и 6; DA2.1 с выводами 1, 2 и 3; DA2.2 с выводами 4, 5 и 6; DA3 с выводами 1, 2 и 3; DA3.2 с выводами 4, 5 и'б; DA4.1 с выводами 1, 2 и 3; DA4.2 с выводами 3, 4 и 5; четыре элемента совпадения, собранные на DA1.4 с выводами 11, 12 и 13; DA2.4 с выводами 11, 12 и 13;

DA3.3 с выводами 8, 9 и К); DA4.3 с выводами 8, 9 и 10; дешифратор, который содержит девять переключателей S3—S11; кодозадающий узел, собранный на электрических соединителях Х2—Х27; транзисторный ключ на тринисторе VS1 и транзисторе VT2.

Контакты переключателя S2, устанавливаемого на охраняемом объекте в исходном состоянии устройства при закрытой двери, разомкнуты. В этом положении на всех четырех выводах триггеров (вывод 6) действует высокий уровень логической единицы, а на базе транзистора

VT2 будет напряжение низкого уровня; транзисторный ключ закрыт, электромагнит и индикаторная лампа H1 находятся в обесточенном состоянии.

Для работы охранного устройства применяется пятизначный шифр, который набирается с помощью установления перемычек между контактами соединителей Х2—Х27, но управление осуществляется только тремя кнопками, две из которых нажимают дважды. Первая цифра кода, например 2, получается при соединении элементов следующей электрической цепи: вывод 1 ИМС DA1, контакт электрического соединителя Х21, перемычка, контакт соединителя Х20, контакт соединителя Х4, перемычка, контакт соединителя Х5, кнопочный переключатель S4.

Следует заметить, что кнопочные переключатели S3—S11 устанавливаются на металлической плате, изготовленной из стального листа (полосы) толщиной не менее 4 мм, она закрепляется на входной двери охраняемого объекта. Все выведенные на лицевую панель кнопки обозначаются цифрами кода с 1 до 9. Около переключателя S3 необходимо нанести цифру 1, около S4 — цифру 2, около S5 — цифру 3 и т. д. Данная часть сторожевого устройства образует дешифратор, который имеет постоянное обозначение кнопок.

Если потребуется установить первую цифру кода, например 5, то необходимо образовать цепочку: вывод 1 ИМС DA1, X2I, Х20, Х10, X11, S7.

Вторая цифра кода устанавливается электрической цепочкой, состоящей из элементов: выводы 9 н 10 ИМС DA1, контакты Х23, Х22, Х2, ХЗ, S3. Эта цепочка определила вторую цифру кода — 1.

Третья цифра кода устанавливается набором электрической цепочки, состоящей из элементов: выводы 9 и 10 ИМС DA2, контакты соединителей Х23, Х22, Х16, Х15, кнопочный переключатель S10. Данная электрическая цепь позволяет набирать цифру кода 8.

Таким образом, образовав эти электрические цепи, набрано три цифры кода 218, а полный код состоит из пяти цифр. В данном устройстве к этим трем цифрам добавляются еще две цифры, уже участвующие в наборе кода, например 18, и весь код будет 21818. При дешифровании необходимо нажимать последовательно кнопки переключателей S4, S3, S10, S3, S10.

Работает охранное устройство следующим образом. После нажатия на первую кнопку, соответствующую первой цифре установленного кода, срабатывает первый триггер, переключаясь из одного крайнего состояния в другое. Напомним, что первый триггер собран на элементах ИМС DA1 (выводы: 1, 2 и 3; 4, 5 и 6). При этом напряжение высокого уровня логической единицы с вывода 3 поступает на вывод 12 элемента совпадения ИМС. DА1 (выводы 11, 12 и 13). При нажатии на кнопку S3, соответствующую следующей цифре кода, на второй вход этого элемента совпадения (вывод 13) будет подано напряжение высокого уровня логической единицы, а на выходе будет действовать низкий уровень логического нуля (вывод 11). Это состояние будет также на входе второго триггера (DA2 — выводы 1, 2 и 3; 4, 5 и 6), которое приводит к его срабатыванию, и с выхода этого триггера напряжение высокого уровня логической единицы поступает на вход следующего элемента совпадения (вывод 12 ИМС DA2). Если далее нажимать на кнопки и набирать правильный код аналогично сказанному, срабатывают элементы ИМС DA3. Сначала переключается триггер на элементах DA3.1 и DA3.2, затем через элемент совпадения (DA3.1) переключается триггер, собранный на элементах ИМС DA4 (выводы 1, 2 и 3; 4, 5 и б). На этом этапе набора цифр заканчивается первый этап работы дешифратора, который подготавливает устройство к набору пятой цифры кода.

Последовательный цикл набора ном.еров кода приводит к переключению всех четырех триггеров на один из входов элемента совпадения ИМС DA4 (вывод 11), на котором начинает действовать высокий уровень логической единицы. Такой же высокий уровень напряжения воздействует и на второй вход этого элемента (вывод 10) через резистор R4. Поэтому при наборе пятой цифры кода 8, когда на третьем входе элемента совпадения ИМС DA4 (вывод 9) также появляется напряжение высокого уровня логической единицы, на выходе этого элемента (вывод 8) будет действовать низкий уровень логического нуля. Этот уровень будет действовать также на входе инвертора, собранного на элементе ИМС DA3 (выводы 11, 12 и 13).

Инвертор, как простейшее устройство на микросхеме, преобразует сигнал низкого уровня на входе (выводы 12 и 13 ИМС DA3) в сигнал высокого уровня логической единицы и наоборот. Таким образом, на выводе 8 ИМС DA3 действует напряжение низкого уровня логического нуля. Благодаря инвертору (элемент DA3 с выводами 11, 12, 13) на базу транзистора VT2 приходит уже напряжение высокого уровня логической единицы. Это состояние приводит к открыванию транзистора VT2 и тринистора VS1. Через обмотку ЭМ1 и индикаторную лампу /// начинает протекать ток. Электромагнит срабатывает и открывает стопор защелки или оттягивает задвижку механического замка. Одновременно загорается лампа накаливания, которая подсвечивает надпись "входите".

Теперь рассмотрим вариант с неправильным набором шифра. Если в процессе набора кода нажата кнопка с цифрой, не входящей в него, то вторые входы всех ИМС DA1— DA4 (выводы 5) — входы всех четырех триггеров соединяются с общим проводом и триггеры возвращаются в исходное состояние. После этого код необходимо набирать заново. Триггеры всегда возвращаются в исходное состояние при открывании двери, так как контакты кнопочного переключателя S2 также соединены с общим проводом, который смонтирован с теми же входами триггеров.

В схему включена цепочка из резистора R3 и конденсатора С5, которая обеспечивает защиту от ложных срабатываний триггеров и ИМ. При любом появлении напряжения питания на конденсаторе С5 и зарядке его до номинального значения питания все триггеры возвращаются в исходное состояние.

При изготовлении охранного устройства, при его сборке, монтаже и регулировке использованы следующие комплектующие ЭРЭ: сетевой понижающий трансформатор питания Т1 броневой конструкции (покупной или самодельный) типа ТПП242-127/220-50; транзисторы VT1 типа КТ807Б, VT2 — МП38А; выпрямительные диоды VD1-VD4 типа Д242Б; стабилитрон VD5 типа КС156А; ИМС DA1 типа К155ЛАЗ, DA2 — К155ЛАЗ, DA3 — К155ЛАЗ, DA4 — К155ЛА4; резисторы R1 типа МЛТ-2-390 кОм, R2 — МЛТ-0,5-270 Ом, R3 — МЛТ-0,25-1 кОм, R4 — МЛТ-0,25-10 кОм, R5 — МЛТ-0,25-1 кОм, R6 — МЛТ-0,25-1 кОм, R7 — МЛТ-0,5-330 Ом; конденсаторы С1 типа МБМ-11-750В-0.05 мкФ, С2 — МБМ-11-750В-0.05 мкФ, СЗ — К50-6-16В-100 мкФ, С4 — К50-6-10В-200 мкФ, С5 — К50-6-6В-10 мкФ, С6 — К50-6-6В-10 мкФ; электрические соединители X1 типа «вилка» с электрическим кабелем в двойной изоляции; Х2—Х27 типа КМЗ-1 приборные; переключатели S1 двухпозиционный типа П2Т-1-1, S2 — самодельной конструкции, S3—S11 типа КМ1-1; плавкие предохранители F1 и F2

типа IIM-1-2 А; индикаторная лампа Н2 типа ТН-03-1;электромагнит ЭМ1 (или соленоид самодельной конструкции); тринистор VS1 типа КУ202Н.

Правильно собранное устройство, без ошибок в монтаже и из заведомо исправных комплектующих ЭРЭ, начинает работать сразу же после включения и сеть.

При сборке и ремонте охранного устройств могут быть внесены некоторые изменения в схему и заменены комплектующие ЭРЭ. Например, вместо резисторов МЛТ можно применить резисторы типов ОМЛТ, МТ, ВС, С1-4, С2-8, УДИ, БЛП; вместо конденсаторов К50-6 можно использовать конденсаторы типов К.50-3, К.50-12, К50-16, К50-20; комплект выпрямительных диодов VD1—VD4 типа Д242Б можно заменить диодными сборками типов КЦ402А, КЦ402Е или применить менее мощные выпрямительные диоды.

Конструктивно охранное устройство выполняется в виде отдельных сборочных единиц. С учетом органолентических показателей конструируется дешифратор, который укрепляется на входной двери. К этому блоку кроме эстетических предъявляются требования по устойчивости к механическим воздействиям. Дешифратор должен быть прочно укреплен на входной двери, обладать повышенной жесткостью конструкции и противостоять ударным нагрузкам.

Блок питания устройства вместе с логическими элементами изготавливается в пластмассовом или металлическом корпусе, размеры которого не превышают 140Х120Х70 мм. Элементы электроники собираются на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. БП устанавливается внутри охраняемого помещения в месте, которое позволяет легко обслуживать это устройство.

Основные электрические параметры и технические характеристики малогабаритного охранного устройства с дискретным управлением

Номинальное напряжение питающей сети неременного тока, В .................... .220

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

Номинальное стабилизированное напряжение

электропитания БЭ, В .................. .5

Коэффициент нелинейных искажений напряжения

питающей сети переменного тока, %, не более... 12

Пределы изменения напряжения питающей сети

переменного тока, В..................... 187... 242

Пределы изменения частоты питающей сети переменного тока, Гц...................... 49... 51

Пределы изменения постоянного напряжения питания БЭ, В ............ ............ .4,97...5,05

Коэффициент стабилизации, не менее .......... .70

Напряжение на выводах обмоток сетевого трансформатора питания Т1, В; под нагрузкой:

11 и 12 ............................ .2,47

13 и 14 .............. ............. .2,46

15 и 16 ............ ............ 5,0

17 и 18 .............. ............ .4,96

19 ч 20 .......................... 1,29

21 и 22 ............................ .1,28

Напряжение питания ИМ переменным током, В ... .220

Максимальная мощность, потребляемая устройством от сети переменного тока, Вт .......... .65

Количество одновременно охраняемых объектов, шт . . 1 Количество цифр в коде, шт ................ .5

Количество разрядов кодовой комбинации ....... .9

Ток, потребляемый устройством в режиме холостого хода, мА, не более .................. .25

Сопротивление изоляции токоведущих частей и элементов устройства относительно металлического корпуса и между собой, МОм, не менее ..... 10

Задержка времени срабатывания устройства при

неправильном наборе, мс ................. .0,5

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

Вероятность безотказной работы устройства при риске заказчика в=0,9, не менее ............ .0,98

Условия эксплуатации:

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

относительная влажность воздуха при температуре 25 °С, %, не более ............... .9о±3

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

климатическое исполнение ............... . УХЛ

Рис. 2.18. Принципиальная схема малогабаритного охранного устройства с дискретным управлением.