Охранные датчики, принцип работы, схемы
Задача системы электронной защиты заключается в том, чтобы отметить факт вторжения и сообщить о нем с целью задержания или отпугивания случайного вора. Электронная охранная система должна дополнять минимальный набор средств механической защиты. Кроме того, если вы находитесь дома, такая система может функционировать частично и обеспечивать безопасность, к примеру, ночью.
Охранная система, предназначенная для предотвращения вторжения или воровства, может состоять из:
аппаратуры контроля доступа, предназначенной для подтверждения прохода в охраняемую зону;
устройств регистрации вторжения, задача которых заключается в обнаружении вторжения и обработке информации, посланной датчиками;
аппаратуры дистанционного управления охранной системой, которая служит для удаленного выключения охраны лицами, уполномоченными на это. В качестве средств дистанционного управления могут использоваться телефонная линия, радиосвязь или специализированный канал;
системы видеонаблюдения, передающей видеосигнал в специализированный центр слежения.
Оператор, принявший сигнал тревоги, следует инструкциям, согласованным с охранной фирмой и владельцем охраняемого помещения. Оператор предупреждает кого-нибудь из доверенных лиц владельца, если не может связаться с ним сам.
Датчики обнаружения
Назначение датчиков обнаружения — сообщать на пульт:
— о присутствии лиц, спрятавшихся на охраняемом объекте;
— о вторжении в охраняемую зону;
— о повреждении препятствий вторжению (ставни, окна, форточки, двери, застекленные проемы и т.д.);
— о проникновении через поврежденные крышу, потолок, стены или пол.
По местам размещения датчики можно классифицировать на:
— периферийные, которые ведут наблюдение за внешней зоной (ограды, заборы, аллеи);
— периметрические, защищающие стены охраняемого владения. В жилых помещениях эти детекторы размещаются, как и следует из их названия, по периметру: на стенах, перегородках, ставнях, входах и т.д.;
— внутренние детекторы, предназначенные для наблюдения за определенными зонами или особо ценными объектами (коридоры, комнаты, лестницы, сейфы, шкатулки с драгоценностями).
Существуют различные типы детекторов:
— детекторы открывания размыкают охранную цепь в случае обычного вторжения, то есть через дверь или окно;
— детекторы разрушения обычно устанавливаются на перегородках (детекторы удара, вибрации или разбития стекла);
— детекторы движения используются, как правило, для наблюдения за перемещениями в зонах, которые не были охвачены контролем входов (инфракрасные барьеры в холле, инфракрасные лучи в аллеях);
— детекторы объемного слежения реагируют на присутствие и движение и эксплуатируются в замкнутых помещениях по совокупности параметров.
Датчики открывания
Задача датчиков открывания — сообщать о любых попытках проникновения через двери, окна или ставни.
Существуют датчики открывания, предназначенные для:
— дверей и окон;
— ставней;
— рольставней (с ручным приводом или с мотором);
— гаражных ворот.
Датчик открывания часто размещают в проемах, выходящих на лестничную площадку, и на дверях охраняемых комнат, если только наблюдение не обеспечивается устройством какого-то другого типа (например, инфракрасным детектором движения).
Некоторые датчики используют две пары проводников:
один — в цепи обнаружения, другой — в цепи автоматического наблюдения или автоматической защиты, предназначенной для круглосуточного выявления умышленных обрывов кабеля (активен сигнал или нет).
Преимущество. Датчик открывания очень экономичен и надежен в работе.
Недостатки. Установка детектора открывания предполагает наличие кабеля, который должен гармонировать с внутренней отделкой, за исключением ситуаций, когда датчики крепятся на дверных и оконных наличниках.
В этом случае лучше применять устройства, врезанные в дверную или оконную раму.
Конструкция. Датчики открывания бывают электроконтактными (простые прерыватели, например концевые выключатели, применяемые в производстве) или магнитоконтактными (в этом случае магнит замыкает или размыкает две тонкие металлические пластинки).
Магнитоконтактный датчик нередко называют магнитоуправляемым, согласно природе его электрического контакта (выключатель с магнитоуправляемым контактом — геркон). Этот тип контакта наиболее часто используется в охранных системах.
Магнитоконтактный датчик состоит из двух частей:
— одна из них — собственно контакт — геркон, закрепляемый на неподвижном элементе охраняемого входа (дверная или оконная коробка);
— другая содержит магнит, обеспечивающий работу электрического контакта. Он размещается на подвижной части двери, окна и т.д.
Когда обе части датчика находятся друг против друга, магнит притягивает подвижную пластинку электрического контакта, который замыкается. Наоборот, если дверь или окно открывают, то отдаление магнита приводит к разрыву контакта и включению тревоги (существуют также модели с нормально замкнутым типом контакта).
Датчики разрушения
Задача датчиков разрушения — сообщать о силовом воздействии на какое-нибудь препятствие (вырезание стекла, разрушение перегородки, стены топором или кувалдой), преодолении забора, проволочной решетки, естественного барьера (живой изгороди) и т.д.
Вибродатчик с механическим контактом.
Это наиболее часто используемый датчик разрушения препятствий.
Применяются два основных типа:
— датчик с тонкой пружинящей металлической пластинкой, на которой закреплен подвижный инерционный груз. Нажимной винт проходит сквозь него, позволяя регулировать упругость контакта. Увеличение давления винта на неподвижный контакт уменьшает чувствительность датчика к ударам, ослабление же винта повышает чувствительность;
— датчик с пружиной и подвижным инерционным грузом — экономичный вариант датчика с пластинкой и грузом. Небольшой груз, закрепленный на одном конце пружины, размещен внутри цилиндрического контакта, который конструктивно может иметь вид металлического кольца или простой плоской шайбы. Во время удара груз сталкивается с цилиндрическим контактом и цепь замыкается.
Вибродатчик с шариками — третий тип, редко применяемый.
В покое электрический контакт замкнут. Один или оба шарика свободно лежат на двух контактах, которые конструктивно могут быть выполнены в виде двух металлических перилец. В момент удара шарики отскакивают от контакта, вызывая кратковременные размыкания, анализируемые электронной схемой, посредством которой регулируется чувствительность к ударам.
Чувствительность определяется по длительности размыкания контакта при отскакивании шариков друг от друга.
Датчики разбития стекла.
Принцип работы этих датчиков — реагирование на колебания с частотой порядка 1500 Гц, производимые разбиваемым стеклом, или на колебания высокой частоты, обусловленные внутренними напряжениями стекла, когда его раскалывают или вырезают.
— Датчик электромеханический заключен в герметичную ампулу. Его, контакты выполнены в виде двух электрических нитей, полупогруженных в ртуть. Колебания, генерируемые при разбитии стекла, вызывают кратковременные размыкания электрического контакта.
— Акустический датчик предназначен для улавливания колебаний с частотой около 1500 Гц, которые появляются при разрушении стеклянных перегородок. Сигнал, принятый микрофоном, усиливается и анализируется электронной схемой, связанной с датчиком.
— Датчик пьезоэлектрический — это более точный детектор, поскольку обладает высокой избирательностью. Он не реагирует на низкие частоты, возникающие при ударе по стеклу, если оно не разбилось, а улавливает колебания около 200 кГц, обусловленные внутренними напряжениями разбиваемого стекла. Таким образом, исключаются несвоевременные срабатывания сигнализации, случающиеся, например, при проезде тяжелого или скоростного автомобиля вблизи от стеклянной перегородки или при проникновении сквозь стену авиационного гула.
Датчики воздействия на стены.
Пьезокерамические, или сейсмические, датчики позволяют регистрировать вторжение через перегородку или стену с помощью механических и термических инструментов. Эти датчики, как правило, жестко вмонтированы в капитальные стены комнат или перегородки либо приклеены к стенке сейфа. Пьезокерамический приемник преобразует механические колебания в сигнал частотой в несколько килогерц, обрабатываемый одной из электрических схем, которые определяют условия тревоги.
— Датчики с ленточными проводниками представляют собой сетку из электрических проводов или ленточных проводников, вмонтированных в охраняемую перегородку или приклеенных к ней. Разрушение одного из проводов либо одной из ленточек шлейфа влечет за собой включение сигнализации.
— Кабельные датчики деформации или разрыва перегородки используются главным образом для защиты внешних ограждений, таких как забор. Штурм проволочной решетки или нарушение ее целостности регистрируется как изменение диэлектрической проницаемости коаксиального кабеля, используемого в качестве датчика. Такая конструкция позволяет выявить точное место, в котором кабель был деформирован или разорван.
Датчики перемещения
Назначение датчика перемещений — регистрировать передвижение нарушителей либо лиц, имеющих разрешение, в таких местах, как коридор, лестница, аллея, лоджия, около ценных объектов, или там, где отсутствует классическая защита дверей, окон и т.д.
Датчики давления.
Это еще одна разновидность электроконтактных датчиков.
Напольный датчик может быть на виду или спрятан под ковровым покрытием. Вес человека давит на контактный коврик, вызывая срабатывание электрического контакта, которое принимается во внимание пультом охраны.
Ленточные коврики, чувствительные к давлению, обычно размещают в стратегически важных местах, таких как верхняя часть ограды, балюстрады, парапет балкона, межрамное пространство окон. При нажатии на датчик срабатывает электрический контакт.
Фотоэлектрические датчики прохода.
Датчики такого типа позволяют одновременно защищать несколько входов, расположенных в одной плоскости (окно или окно-дверь на одной и той же стене). Световые лучи фокусируются на фотоэлементах и используются во внутреннем пространстве впереди и позади двери, в коридоре или на лестнице. Прерывание светового луча при пересечении его человеком вызывает срабатывание сигнализации.
Инфракрасный датчик активного типа состоит из излучателя и приемника инфракрасного света, невидимого человеческим глазом. Их разрешается устанавливать как снаружи, так и внутри, но при использовании в помещениях искусственное освещение создает им помехи, особенно свет люминесцентных ламп. Исходя из этого, необходимо применять соответствующие по качеству пассивные и активные фильтры. При использовании снаружи следует исключить возможность появления росы и инея на оптике датчиков.
Труднопреодолимый барьер можно сформировать из Нескольких инфракрасных пучков (перед большой витриной) или с помощью многократного отражения одного луча между двумя стенками (например, в коридоре).
Микроволновые СВЧ барьеры состоят из передатчика и приемника, которые могут быть удалены друг от друга на несколько сотен метров. Этот тип барьера лучше всего подходит для промышленных сооружений. Электромагнитный сигнал излучается направленной антенной в сторону приемника. Присутствие постороннего в электромагнитном поле приводит к ослаблению сигнала, принимаемого приемником, что вызывает включение сигнализаций. Частота колебаний микроволнового излучателя около 10 ГГц — удовлетворительный компромисс между надежностью распознавания и защищенностью от ложных срабатываний.
В трехсантиметровом диапазоне рабочие частоты для Германии — 9,470 ГГц; для Франции — 9,900 ГГц; для США — 10,525 ГГц; для Великобритании — 10,587 ГГц (на открытом воздухе) и 10,687 ГГц (в помещении).
Иногда используется сигнал с частотой 2,5 ГГц, но в этом случае имеет место чрезмерное проникновение излучения сквозь перегородки.
Инфракрасные датчики пассивного типа также применяются для создания невидимых барьеров. В такой ситуации необходимы специальные линзы с пассивным приемником инфракрасных лучей от теплового излучения человеческого тела. Эти датчики используются в основном как детекторы движения, но в данном случае система линз образует инфракрасный занавес — ловушку для приема ИК лучей с разных направлений наблюдения.
Датчики объемного слежения
Датчики объемного наблюдения предназначены для обнаружения постороннего в замкнутом пространстве. Они чаще всего называются датчиками присутствия или датчиками движения и подразделяются на следующие типы:
— акустические датчики;
— пассивные инфракрасные датчики;
— ультразвуковые датчики;
— микроволновые СВЧ радары;
— комбинированные датчики (инфракрасные и микроволновые).
Акустические датчики анализируют шумовой фон помещения. Сигнал, принятый микрофоном, усиливается и проверяется на предмет включения сигнала тревоги, если превышен порог уровня звука. Специальный фильтр позволяет исключить кратковременные колебания сигнала, обусловленные паразитными шумами.
Инфракрасные датчики оснащены пироэлектрическим детектором (ПД), преобразующим тепловые колебания (напомним, что тело человека, выделяя тепло, является источником инфракрасного излучения) в электрические. Кроме того, ПД объединен конструктивно с различными линзами для того, чтобы обеспечивать сканирование как можно большего количества лучей в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также по глубине.
Ультразвуковые датчики содержат модули ультразвуковых излучателяиприемника
Самая популярная частота — 40 кГц, однако, в зависимости от производителя устройства, она может простираться от 22 до 40 кГц. Работа этих датчиков основана на эффекте Доплера, который заключается в изменении частоты звуковой волны при отражении ее от движущегося тела. Поскольку ультразвуковые приемники очень избирательны, изменение частоты, передаваемой излучателем, приводит к ослаблению принимаемого сигнала.
Потеря сигнала анализируется электронной схемой, обслуживающей модули и определяющей условия включения тревоги. Радиус действия ультразвуковых датчиков примерно равен 10-12 м. В большинстве случаев ультразвуковые волны не проходят сквозь перегородки.
Принцип действия микроволновых датчиков также основан на эффекте Доплера. Это активные датчики с приемником и передатчиком, размещенными в одном корпусе и настроенными на частоту около 10 ГГц. Главная их составляющая — модуль приемника-передатчика — представлена на рисунке
Угол поля детектирования датчиков нередко составляет 150°, а радиус их действия распространяется на несколько десятков метров. СВЧ волны не проходят сквозь толстый бетон и металлические перегородки, но проникают через окно и стены небольшой толщины. Поэтому перемещения по краю охраняемой зоны могут вызвать ложную тревогу. В таком случае следует ограничить мощность передатчика или сделать непрозрачную ограду вокруг охраняемой зоны. Из этого неудобства можно извлечь пользу, а именно: реализовать предупредительный сигнал, информирующий о приближении к охраняемой зоне. В целом микроволновые датчики защищены от промышленных электрических и радиопомех, а также от попыток ослепления приемника мощным внешним СВЧ источником.
Детекторы с комбинированными датчиками (инфракрасными и микроволновыми) были созданы, чтобы повысить надежность установления факта присутствия постороннего в охраняемой зоне и исключить ложное срабатывание. Эти детекторы позволяют ослабить дефекты, свойственные датчикам по отдельности (проблема изменения температуры окружающей среды для инфракрасных датчиков и непрозрачных перегородок для микроволновых). Недостатком детекторов этого типа является себестоимость, а также ограничение поля наблюдения зоной, общей для обоих типов устройств. Однако эта тенденция приводит к тому, что создаются комбинированные ультразвуковые и инфракрасные датчики. Изобретательный наладчик может объединить параметры различных сигнализаций, для повышения надежности всей системы.
Выбор места размещения датчиков
Первое, что вы должны сделать, — постараться представить себя в роли вора и проанализировать все возможные варианты вторжения в ваше жилье. Не забывайте, что большинство жуликов проникают традиционным способом (через входную дверь, отдельные окна). Однако найдутся и те, кто не побрезгует залезть в дом через крышу. После того как вы определите слабые места жилища, можно будет продумать расположение элементов охранной системы.
Датчики открывания. Датчики типа геркона устанавливаются на расстоянии от шарниров таким образом, чтобы была реакция на открываемое окно или дверь.
На рисунке показаны рекомендуемые и нерекомендуемые места размещения датчиков на окне.
Устанавливайте их очень высоко, ибо всегда труднее и заметнее выводить из строя аппаратуру, если приходится приподниматься и вытягивать руки. Кроме того, во время нейтрализации геркона посредством мощного магнита очень трудно удерживать его на оконной раме. К тому же такое расположение датчиков облегчит прокладку кабелей в подвесном потолке. Не размещайте провода вдоль плинтусов или стен, особенно если в доме есть животные. Когда датчики невозможно врезать, используйте защитные коробы, гармонирующие с отделкой помещения.
Отдавайте предпочтение менее заметным врезанным герконам, которые трудно испортить. Если вы строите дом, то вам необходимо проштробить стены для прокладки кабеля и размещения герконов вместе с проводкой.
Для защиты гаражных ворот существуют специальные герконы, которые учитывают расшатанность и вибрацию, свойственные таким дверям.
Датчики движения. Чаще всего причиной срабатывания датчиков движения являются насекомые, в частности пауки, плетущие паутину в углах, где и размещаются эти устройства. Одно из возможных решений — скомбинировать инфракрасный датчик с каким-нибудь другим, но это неэкономично.
Другой выход — использовать для установки датчиков деревянные стойки из каштана, поскольку именно этот вид дерева пауки избегают, и распылять инсектициды вокруг приборов.
Инфракрасные датчики. Инфракрасные датчики не должны размещаться вблизи нагревательных приборов, таких как климат-контроль, камин, вентилятор и т.д. Обязательно подумайте о шторах и ставнях, если ваши окна выходят на солнечную сторону. Желательно устанавливать датчики в том углу, который не виден снаружи, лучше на внутренней стене. Всегда рассматривайте несколько вариантов, прежде чем прийти к конкретному решению. Руководствуйтесь радиусом действия приборов, зависящим от типа линзы датчика. Выбор линзы может сыграть решающую роль.
Ультразвуковые и микроволновые датчики. При использовании ультразвуковых и микроволновых датчиков, менее чувствительных к резким колебаниям температуры, старайтесь хорошо закрывать внутренние двери и не создавать сквозняков, которые могут восприниматься радаром как условие тревоги. Влияние проницаемости перегородок можно исключить, уменьшив чувствительность датчика и изменив его ориентацию.
«Нормально открытые» и «нормально замкнутые» цепи
Аббревиатура НО (NO) – «Нормально Открытый» — означает, что электрическое соединение или контакт находятся в состоянии покоя (контакт отсутствует).
Сокращение НЗ (NF по-французски или NC по-английски) – «Нормально Закрытый» — указывает на то, что электрическое соединение находится в замкнутом положении (полный контакт). Существуют датчики, оборудованные обоими типами контактов или только одним из них. Например, датчики открывания на герконах в присутствии магнита имеют НЗ состояние. Однако герконы 1RT (1 контакт покой/работа) позволяют получить оба типа контакта.
Контакты НО соединены кабелем параллельно друг другу, образуя электрическую цепь, названную НО.
Если замыкается один из контактов, цепь оказывается замкнутой накоротко и появляется условие тревоги. Чтобы нейтрализовать этот тип схемы, грабителю достаточно поочередно вырезать у датчика оба провода (если это делать одновременно, то образуется короткозамкнутая цепь и сработает сигнал тревоги). Следовательно, эти цепи должны быть тщательно замаскированы или врезаны. Желательно использовать многожильные кабели. Тогда одна пара проводов будет предназначена для НО цепи, а другая — для реализации входной цепи НЗ. Если провода вырезать, цепь НЗ разорвется и создастся условие тревоги, а цепь НО останется нейтрализованной. Внутри самого датчика пара проводов, применяемая для цепи НЗ, завершена контактом НЗ автоматической защиты (антисаботажа) или, при ее отсутствии, просто закорочена в корпусе датчика.
Контакты НЗ соединяются кабелем последовательно, чтобы образовать НЗ цепь, в основном при использовании герконов и для автоматической защиты устройства.
Цепи НЗ менее чувствительны к нейтрализации, поскольку для их замыкания требуется опознание и тщательная зачистка проводов. По этой причине лучше предпочесть НЗ цепи, а не цепи НО.
Выполнять соединение цепей желательно с помощью многожильных кабелей. Это позволяет создавать цепи автоматической защиты, срабатывающие при повреждении кабеля или вскрытии кожуха. Использование кабеля с тремя парами проводов дает возможность иметь контакты для обнаружения, автоматической защиты и питания дополнительного датчика. Провода должны быть гибкими, чтобы исключить риск обламывания их при обрезке изоляции, что часто происходит с жесткими проводами малого сечения, такими, как жила телефонного кабеля. При подсоединении внешней сирены обратите внимание на ток потребления и выберите кабель соответствующего сечения или объедините несколько проводов малого сечения.
Вновь проложенную кабельную линию следует защитить независимым предохранителем, что исключит выведение системы из строя вследствие короткого замыкания в любом месте электросети.
Подсоединение телефонного передатчика непосредственно к входу линии позволяет, в случае вторжения, изолировать ее и предотвратить саботаж телефонной связи уже из жилища (простого замыкания в розетке достаточно, чтобы нейтрализовать телефонную линию).
Датчик отключения сети
Постоянное сетевое напряжение не только удобно с точки зрения, например, искусственного освещения, но и жизненно необходимо, если является единственным источником энергии, обеспечивающим работу отопления оранжереи, поддерживающим температуру холодильной камеры или морозильника.
Кроме того, отсутствие напряжения в сети на протяжении длительного времени делает охранную систему уязвимой. Хитрому взломщику достаточно сжечь электрический счетчик и пробки и спокойно опустошать ваш дом, поскольку все батареи будут разряжены.
Миниатюрное низковольтное реле постоянно подключено к сети 220 В. Оно имеет НО и НЗ электрические контакты, которые можно включить в цепь наблюдения пульта или телефонного передатчика.
Это реле управляет низковольтной электрической цепью посредством размыкающего контакта (контакт «покой»).
Схема. На рисунке приведена простая схема датчика. Переменное напряжение 220 В выпрямляется диодным мостом D1-D4. R1 ограничивает бросок тока при включении, если С1 разряжен. С1 ограничивает средний ток в установившемся режиме приблизительно до 15 мА. R2 — защитный резистор, разряжающий С1 во время работы со схемой.
При обратном смещении стабилитрон D6 ограничивает напряжение, прикладываемое к реле, а при прямом — нейтрализует самоиндукцию обмотки реле.
Пока в сети присутствует напряжение, диод D5 светится. Он гаснет, как только питание реле прекращается.
Датчик пожара
Небольшая схема датчика сконструирована на базе термистора, реагирующего на повышение температуры окружающей среды. Условие тревоги отмечается светодиодом, который используется также в качестве индикатора при настройке схемы. В случае тревоги реле включает достаточно мощную звуковую сигнализацию. Кроме того, контакт реле может быть использован в режиме круглосуточного обслуживания охранного пульта. Для наблюдения за закрытым помещением, например за котельной, термистор помещается внутри, тогда как корпус вместе с электрической схемой устанавливается снаружи, с другой стороны огнестойкой двери или перегородки.
Схема. Детектор содержит два каскада транзисторов: один из них — компаратор напряжения, а другой — схема Дарлингтона (составной транзистор), управляющий ток которой очень мал.
При обычной температуре окружающей среды сопротивление термистора RT1 составляет приблизительно 100 кОм. Термистор вместе с регулируемым сопротивлением RP1 и последовательным ограничительным сопротивлением R2 образуют делитель напряжения. Напряжение с делителя подается на базу транзистора Т1, который используется как компаратор. Пороговое напряжение компаратора равно сумме напряжений смещения светодиода D1 и перехода база-эмиттер транзистора Т1. Этот порог приблизительно равен 2 В (считая от плюса схемы).
Пока напряжение на концах термистора не упадет ниже 10 В, транзистор Т1 закрыт. Ток в цепи эмиттер-коллектор отсутствует, светодиод не горит, напряжение на выводах резистора R1 равно 0, реле обесточено.
Резистор R3 ограничивает ток базы Т1 и мало влияет на порог срабатывания. Регулируемый резистор RP1 позволяет повысить напряжение на базе Т1, но таким образом, чтобы транзистор все еще был надежно закрыт (D1 не светится).
При повышении температуры окружающей среды сопротивление термистора уменьшается. Напряжение на базе транзистора Т1 падает, и он открывается. Загорается светодиод, и на резисторе R1 появляется напряжение, определяющее ток через светодиод.
С этого момента конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R4 и диод D2. Последний препятствует быстрому разряду конденсатора С1 через резистор R1 при возврате транзистора Т1 в закрытое состояние (что маловероятно, за исключением случаев отсутствия или перемещения огня или разрушения датчика от перегрева). Это приводит к задержке включения тревоги.
Задержка возникает благодаря очень малому току потребления составного транзистора, используемого для включения и выключения реле. В данном случае эта схема может иметь два состояния — закрытое и открытое. Действительно, начиная с момента заряда конденсатора С1 ток базы подается на составной транзистор Т2ТЗ, который открывается и включает реле. Пока светодиод горит, заряд С1 поддерживается транзистором Т1, находящимся в режиме насыщения. И наоборот, когда светодиод гаснет, конденсатор С1 разряжается, обеспечивая ток насыщения составного транзистора, который тем самым удерживается в открытом состоянии. Ток разряда ограничивается значительным по величине сопротивлением R5, введение которого допустимо из-за большого входного сопротивления составного транзистора.
Когда разряд С1 почти заканчивается, тока базы Т2 недостаточно для удержания составного транзистора в открытом состоянии и реле отключается.
Диод D3 защищает составной транзистор от бросков напряжения, возникающих на концах обмотки реле при коммутации.
Датчик утечки воды
Это устройство реагирует на присутствие воды и позволяет обнаружить, к примеру, протекание кровли (тогда его размещают под изоляцией на краю ската). Датчик также предупреждает затопление подвала, регулируя работу насоса, предотвращает непредвиденное размораживание холодильника и т.д.
В предлагаемой схеме, как только зонд покрывается водой, срабатывают контакты реле, подающие питание на маленькую сирену, водяной насос или активизирующие цепь круглосуточного наблюдения охранного пульта. В качестве зонда используется жесткий электрический кабель, или оголенная печатная плата, или коаксиальный кабель.
Схема. На рисунке представлена структура датчика, созданного на основе одной микросхемы.
Речь идет об операционном усилителе LM358, как следует из электрической схемы, изображенной на рисунке.
Первый операционный усилитель используется в режиме мультивибратора, то есть формирует прямоугольный сигнал генератора НЧ, гармоники которого фильтруются конденсатором С2 до того, как он поступает на зонд.
Работа в режиме генерации. Мультивибратор на ОУ DA1.1 построен по традиционной схеме. Делитель напряжения R1R2 смещает неинвертирующий вход усилителя, а резистор R3 охватывает усилитель обратной связью, из-за чего конденсатор С1 последовательно заряжается и разряжается.
При подаче напряжения С1 разряжен. Напряжение на нем равно нулю, в то время как делитель R1R2 смещает в положительном направлении неинвертирующий вход DA1.1. Выход операционного усилителя оказывается в состоянии высокого уровня, которое соответствует напряжению насыщения, почти равного напряжению питания. Резистор R3 усиливает смещение на неинвертирующем входе, которое называют VH1, верхней точкой петли гистерезиса, и конденсатор С1 заряжается через резистор R4. Когда напряжение на концах этого конденсатора достигает порога VH1, напряжение на выходе DA1.1 инвертируется. Тогда напряжение выхода становится равным отрицательному напряжению насыщения, которое очень близко к минусу питания DA1. А поскольку микросхема включена асимметрично, напряжение на выходе почти равно нулю. Конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R4 до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет очередного порога, соответствующего новому положительном смещению. Так как напряжение выхода инвертировано, резистор R3 понижает напряжение смещения неинвертирующего входа до напряжения VH2 — нижнейточки петлигистерезиса.
Значения VH1 и VH2 почти симметричны по отношению к середине напряжения питания, обусловленной R1R2, который делит напряжение пополам. Напряжение на выходе DA1.1 инвертируется с частотой последовательных зарядов и разрядов С1. Появляющийся в результате этого прямоугольный сигнал поступает на вход зонда, потенциал которого определяется R5. Конденсатор С2 не пропускает постоянную составляющую сигнала к зонду, что исключает все проявления электролиза.
При наличии жидкости конденсатор СЗ заряжается положительными импульсами, поступающими от мультивибратора. Если сигнал отсутствует, резистор R6 разряжает конденсатор СЗ. Выпрямленный сигнал поступает на вход компаратора, выполненного на втором операционном усилителе, который является составной частью LM358.
Работа компаратора. В компараторе напряжения используется операционный усилитель DA1.2. Резистор R8 вводит небольшой гистерезис, что позволяет избежать ложных срабатываний компаратора. Если проводники зонда не покрыты водой, то напряжение неинвертирующего входа второго операционного усилителя DA1.2 равно нулю. Принимая во внимание, что инвертирующий вход положительно смещен делителем напряжения R7RP1, выход DA1.2 будет находиться в состоянии низкого уровня: реле обесточено.
Если проводники зонда покрываются водой, то на принимающем проводнике появляется переменный сигнал, а на конденсаторе СЗ — постоянное напряжение. С этого момента смещение неинвертирующего входа DA1.1 больше, чем пороговое напряжение входа инвертирующего, и компаратор перебрасывается: включается реле и загорается светодиод D2.
Инфракрасный барьер
Системы защиты с использованием инфракрасных лучей обладают множеством преимуществ. Инфракрасный барьер трудно обнаруживается и с равным успехом может быть применен и для наблюдения за перемещениями, и для предупредительной периметрической тревоги, и для защиты входов, расположенных в одной плоскости.
Одновременная защита входов с помощью инфракрасных барьеров очень выгодна, так как избавляет от необходимости устанавливать большое количество датчиков. Представьте огромное помещение с многочисленными окнами и окном-дверью, расположенными вдоль длинной стены. Если ориентировать инфракрасный луч параллельно стене, проникновение в любом месте вызовет прерывание луча. При таком подходе весь монтаж охранной системы упрощается.
Схема. Система в целом состоит из излучателя и приемника, монтируемых раздельно. Излучатель спроектирован так, что генерирует свет инфракрасного диапазона модулированными импульсами.
Другими словами, на инфракрасные светоизлучающие диоды периодически поступает низкочастотный импульсный сигнал, образуемый прямоугольным сигналом частотой 33 кГц (частота демодуляции инфракрасного приемника).
Генератор импульсов низкой частоты реализован на одном из четырех элементов И-НЕ триггера Шмитта, входящего в состав микросхемы 4093. Асимметрия выходного прямоугольного сигнала этого мультивибратора достигается включением диода D5, который позволяет конденсатору С4 быстро заряжаться через резистор R5. Разряд его происходит через более высокоомное сопротивление R4.
Импульсы, появляющиеся на выводе 11 DD1, периодически и кратковременно включают второй мультивибратор, созданный на основе другого элемента И-НЕ, принадлежащего DD1. Частота сигнала второго генератора настраивается па 33 кГц при помощи переменного резистора RP1.
Два последних элемента микросхемы 4093 буферизуют базовый ток транзистора Т1, который работает в ключевом режиме и коммутирует светодиоды.
Ток, протекающий через диоды, — не постоянный, а импульсный, и последовательно нарастает для обеспечения необходимой мощности инфракрасного излучения. Резистор R3 ограничивает величину этого тока, а обычный светодиод D2 индицирует его присутствие. Конденсаторы С2 и СЗ служат накопителями энергии, обеспечивающими значительный импульсный ток, около ампера.
Приемник. Модуль приемника включает в себя инфракрасный датчик, хорошо защищенный от паразитных излучений.
Этот датчик DA1 воспроизводит на своем выходе 3 огибающую, обратную сигналу, модулированному частотой 33 кГц. То есть на выходе DA1 как бы присутствует импульсный сигнал низкой частоты, генерированный инфракрасным излучателем.
Напряжение питания датчика равно 5 В, в то время как вся остальная схема имеет напряжение питания 12 В. Транзистор Т1 используется для согласования уровней и преобразования амплитуды импульсов 5/12 В. Также он инвертирует огибающую сигнала до полного соответствия ее сигналу излучателя (вывод 11 микросхемы 4093).
Низкочастотные импульсы амплитудой 12 В поступают на выпрямитель DI, D2. Конденсатор СЗ не пропускает постоянную составляющую импульсного сигнала. Постоянная времени R2C2 определяет чувствительность к прерыванию луча.
При установившемся луче на входе 2 микросхемы 555 присутствует напряжение 9 В, что поддерживает DA2 в состоянии покоя. И наоборот, при прерывании луча на выходе DA1 появляется импульсный сигнал и напряжение на входе одновибратора DA2 падает. По достижении порога около 4 В запускается одновибратор DA2. Тогда на выходе 3 DD2 — состояние высокого уровня в течение времени, определяемого постоянной R1C1. Загорается светодиод D5, и реле срабатывает. В зависимости от поставленных задач можно увеличить емкость С1. Так, увеличение емкости с 4,7 до 22 мкФ приводит к возрастанию времени задержки с 5 до 25 с.
Настройка заключается в установке частоты сигнала 33 кГц, генерируемого излучателем. С этой целью можно использовать частотомер, подключив его к выводам 3 или 4 микросхемы 4093, DD1, предварительно закоротив конденсатор С4. То же самое можно сделать с помощью осциллографа, но тогда следует задать период 30,3 мкс.
Существует и другой способ — аппроксимация. Подсоедините параллельно резистору R1 (1 МОм) резистор 10 кОм, для того чтобы исключить влияние времени задержки. Вращайте RP1 до тех пор, пока не погаснет светодиод приемника. Затем отодвиньте излучатель от приемника и держите их направленными друг на друга, пока светодиод не загорится снова. Повторите настройку с помощью RP1, после чего увеличьте расстояние между излучателем и приемником.
Инфракрасный датчик движения
Использование инфракрасного датчика движения упрощает защитные меры в том случае, когда речь идет об охране одной комнаты в составе комплекса или прохода с многочисленными дверями, например коридора. Инфракрасный датчик — это пироэлектрический детектор, чувствительный к тепловым колебаниям, в частности к тепловому излучению человеческого тела. Детектор может быть соединен с различными линзами Френеля для улучшения его характеристик и задания конфигурации зоны наблюдения. В зависимости от применяемой линзы можно получать или занавес, или зону защиты, в большей или меньшей степени вертикальную, широкую, глубокую или размытую.
Схема. Принципиальная электрическая схема датчика движения представлена на рисунке ниже. Она состоит из инфракрасного датчика, двухкаскадного усилителя, регенераторного компаратора и реле задержки.
Инфракрасный датчик. Инфракрасный датчик состоит из множества керамических поверхностей, чувствительных к инфракрасному излучению, и полевого транзистора, нагруженного усилителем для согласования импеданса. Все это помещается в корпус ТО-5 с кварцевым окном, пропускающим только инфракрасные лучи. Быстрое изменение температуры приводит к небольшим скачкам напряжения на сопротивлении нагрузки пироэлектрического детектора, в данном случае R3.
Усиление. Слабый сигнал от инфракрасного датчика поступает непосредственно на первый полосовой усилитель. Поскольку сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, полярность его та же, что у датчика.
Усилитель реализован на одном из четырех ОУ, входящих в состав DA1, выполненного на КМОП транзисторах.
Следующий каскад усиления собран на втором ОУ. Делитель напряжения R8R10R11R9 задает напряжение смещения ОУ около 8 В (2/3 Vcc, где Vcc — напряжение питания DA1, равное 12 В). Таким образом, при отсутствии изменения температуры постоянное напряжение на выходе 1 DA1 оказывается строго посередине окна дискриминации компаратора, собранного на базе двух других ОУ DA1. Конденсатор С1 не пропускает постоянную составляющую двух каскадов усиления, а конденсатор С11 стабилизирует напряжение смещения DA1.1. Общий коэффициент усиления регулируется переменным сопротивлением RP1.
Регенераторный компаратор. Резисторы R10 и R11 делителя напряжения на два определяют рабочий диапазон регенераторного компаратора. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе DA1.2 чуть больше 2/3 Vcc, в то время как на неинвертирующем входе DA1.3 незначительно меньше 2/3 Vcc.
Пока изменения напряжения на выходе 1 DA1 не превышают пределов окна дискриминации компаратора, на выходах DA1.2 и DA1.3 — 0.
Напротив, если изменение усиленного сигнала больше, чем падение напряжения на резисторах R10 или R11, то один из ОУ компаратора опрокидывается и на его выходе появляется 1. Положительный фронт поступает на вход элемента ИЛИ в триггере Шмитта, собранном на R10, R11, R12, R13 и двух элементах ИЛИ-HE — DD1.1 и DD1.2.
Реле задержки. Положительный фронт импульса, сформированного компаратором, запускает одновибратор, образованный элементами DD1.3 и DD1.4. Длительность задержки задается постоянной времени R16C10. В этот период на выходе 10 DD1 присутствует высокий логический уровень и транзистор Т1 открыт. Светодиод светится и реле включено, обеспечивая задержку срабатывания электрического контакта.
Конденсатор СЗ ослабляет помехи, вызываемые искусственным освещением. Если вы увеличите его емкость, помехоподавление усилится, но снизится чувствительность датчика и очень медленные перемещения могут остаться необнаруженными.
В зависимости от корпуса, в котором собрана схема, и от применяемых линз Френеля, инфракрасный датчик может быть приклеен к печатной плате или поднят на высоту выводов. Вы также можете припаять его. В таком случае центральный вывод должен быть отведен назад для симметрии.
Избегайте длительного воздействия припоя или применения высокотемпературного припоя из-за возможного ухудшения характеристик датчика. Разделяйте пайки паузами или охлаждайте печатную плату мощным теплоотводом. Не нагревайте и не охлаждайте датчик, этим вы рискуете его повредить.
Для эффективной работы датчика необходимо применять линзу Френеля. Линза в форме таблетки диаметром 35 мм пригодна для наблюдения в коридоре, поскольку способна охватывать зону диаметром 2 м на расстоянии до 30 м. Линза плоская и должна такой оставаться. Поэтому ее легко закрепить: достаточно приклеить к передней поверхности пироэлектрического датчика на фокусном расстоянии приблизительно в 3 см. Куполообразная линза создает 24 зоны наблюдения и пригодна для наблюдения за помещением глубиной от двух до шести метров. Она выпускается в форме дуги двухсантиметрового круга и должна располагаться на фокусном расстоянии 20 мм.
Детектор объемного слежения
Датчики движения для закрытых помещений в течение длительного времени изготавливались с применением ультразвуковых преобразователей, очень экономичных и простых в эксплуатации. Впрочем, эти устройства до сих пор используются в охранных системах автомобилей. Принцип действия ультразвуковых датчиков основан на эффекте Доплера, согласно которому частота звука, отраженного от движущегося тела, изменяется. Благодаря значительной избирательности ультразвуковых излучателей изменение частоты звука легко измерить. Изменение частоты ультразвука преобразуется в изменение амплитуды принятого сигнала. Большинство ультразвуковых преобразователей, используемых в системах оповещения, работают на частоте резонанса 40 кГц.
Схема. Принципиальная электрическая схема детектора представлена на рисунке.
Она состоит из двух различных частей: одна из них — излучатель ультразвука, другая — схема обработки ультразвукового сигнала, принимаемого приемником-преобразователем. Сначала принимаемый сигнал усиливается, затем выделяется огибающая сигнала, которая усиливается вторым усилителем. Окончательный сигнал преобразует изменения передвижения в изменения напряжения, после чего они анализируются регенераторным компаратором, предназначенным для включения реле задержки.
Передатчик. Частота 40 кГц вырабатывается кварцевым генератором, обеспечивающим точность и временную стабильность сигнала. Колебания кварца соответствуют частоте 10,24 МГц, которая затем делится двоичным счетчиком на 214. Единственная интегральная микросхема КМОП 4060 содержит одновременно генератор и счетчик, делитель частоты. Цепь R16C8 предназначена для инициализации счетчика. Это происходит в момент включения напряжения, когда на его входе Rst (Сброс) кратковременно появляется состояние высокого уровня. После деления сигнал 40 кГц поступает на вывод 14 DD3.
Буфер, образованный логическим инвертором DD3, позволяет удвоить амплитуду сигнала, поступающего на преобразователь излучателя. Действительно, полярность напряжения на выводах преобразователя изменяется в каждый полупериод сигнала. Для защиты преобразователя вводятся ограничивающий ток резистор R4 и конденсатор С4, исключающий возможную постоянную составляющую.
Приемник. Для одновременного усиления ультразвукового сигнала и выделения вариаций его амплитуды применяется счетверенный операционный усилитель, выполненный на КМОП транзисторах: микросхема TLC274 (pdf), или TS274.
Первый каскад усиливает сигнал, принимаемый преобразователем ультразвука.
Неинвертирующий вход операционного усилителя смещается делителем напряжения R7R8 до Vcc/2. Затем усиленный сигнал выпрямляется диодом D4 и заряжает конденсатор СЗ. В итоге на резисторе R3 появляется постоянное напряжение. Девиация частоты ультразвуковых колебаний в результате взаимодействия с движущимся телом приводит к изменению напряжения на резисторе R3.
Эти низкочастотные изменения усиливаются вторым инвертирующим усилителем DA1.1, неинвертирующий вход которого смещен до напряжения Vcc/2 с помощью R7R8. Этот же делитель определяет окно дискриминации регенераторного компаратора благодаря наличию диодов D5 и D6. В отсутствие изменений постоянная составляющая на выходе 1 DA1.1 находится строго в середине окна дискриминации компаратора-детектора изменений.
Построечный резистор RP1 определяет коэффициент усиления и, следовательно, чувствительность датчика. Конденсаторы С5 и С6 образуют неполярный конденсатор большой емкости. Он надежно изолирует оба каскада усиления от постоянной составляющей независимо от уровня усиливаемого сигнала.
Компаратор. Напряжение Vd прямого смещения диодов D4 и D6 определяет размер окна компаратора. Таким образом, на инвертирующем входе DA1.2 напряжение несколько выше Vcc/2, в то время как на неинвертирующем входе DA1.3 — чуть ниже Vcc/2.
До тех пор, пока изменения сигнала на выходе 1 DA1 не превышают пределов рабочего окна компаратора, на выходах DA1.2 и DA1.3 присутствует логический 0.
Напротив, если диапазон изменения усиленного сигнала больше Vd, один из ОУ компаратора переключается и его выход оказывается в состоянии логической 1. Положительный фронт результата переключения обрабатывается элементом ИЛИ триггера Шмитта, собранного на двух элементах ИЛИ-HE DD1 и резисторах R10-R13.
Реле задержки. Высокий логический уровень на выходе компаратора, вывод 4 DD1, запускает одновибратор, собранный на двух других элементах DD1. Длительность задержки задается постоянной времени R14C7, переводящей выход 10 DD1 в состояние высокого логического уровня. Транзистор Т1 открывается, загорается светодиод, и реле срабатывает.
Настройка. Для охвата более широкой зоны или участка, чрезмерно близкого к датчику (например, в салоне автомобиля), преобразователи устанавливают наклонно по отношению к внешней стороне платы. Напротив, если вам предстоит охранять коридор, то преобразователи располагают перпендикулярно печатной плате.
Настройка заключается в регулировке чувствительности датчика с помощью подстроечного резистора RP1 в соответствии с характеристиками помещения и желаемой чувствительностью.
Микроволновый датчик
СВЧ датчик — это детектор активного типа с передатчиком и приемником. Принцип действия СВЧ радара основан на эффекте Доплера: если частота принимаемой волны отлична от частоты излучаемой, следовательно, выполняется условие возбуждения тревоги. Такое различие между частотами имеет место при отражении излучаемой волны от движущегося тела.
Микроволновые датчики не реагируют на резкие изменения температуры, а СВЧ излучение проникает сквозь тонкие перегородки, значит, один датчик может защищать несколько комнат. Его также можно применять в качестве периметрического детектора предупредительной тревоги. В настоящее время микроволновые датчики работают в диапазоне X. Частота первых датчиков соответствовала 2,45 ГГц.
От нее отказались из-за серьезных недостатков (чрезмерное проникновение сквозь перегородки и низкая помехозащищенность) и появления микроволновых печей. Во Франции микроволновым датчикам объемного слежения выделена частота 9,9 ГГц.
Схема. На рисунке изображена принципиальная электрическая схема датчика на базе миниатюрного СВЧ излучателя MDU1030.
Принцип обнаружения основан на эффекте Доплера. Частота излучаемых им микроволн — 9,9 ГГц (стандартное значение). Структура микроволнового датчика представлена блок-схемой:
Усиление. Если человек или какой-то объект только что переместился в зоне наблюдения радара, произойдет незначительное изменение частоты отраженных от объекта волн, преобразуемое на выходе MDU1030 в небольшое изменение напряжения, которое усиливается первым полосовым усилителем — одним из четырех операционных усилителей, входящих в состав DA1 микросхемы LM324. Делитель R3R4 задает напряжение на неинвертирующем входе DA1.3 ниже уровня Vcc/2.
Второй каскад усиления реализован на основе DA1.1. Его коэффициент усиления регулируется с помощью переменного резистора RP1. Напряжение смещения на неинвертирующем входе второго усилителя задается делителем R8R10R9, используемым и для другого операционного усилителя, выполняющего функцию компаратора.
Обнаружение. При отсутствии движения напряжение на выводе 1 DA1 равно напряжению на выводах резистора R9. Операционный усилитель служит в качестве повторителя. Тогда на выходе 14 компаратора DA1.4 -низкий логический уровень.
И наоборот, в случае перемещений, зафиксированных датчиком, увеличение напряжения на неинвертирующем входе компаратора вызывает его переключение. Положительный фронт поступает на вход счетчика-дешифратора DD1 микросхемы 4017, применяемой для цифровой фильтрации несвоевременных срабатываний.
Цифровая фильтрация. Один из выходов счетчика будет использоваться для включения формирователя задержки по команде реле. Таким образом, если выбрать выход Q3, два первых переключения компаратора отфильтруются. Эти переключения должны происходить в интервале, определяемом постоянной времени R13C8.
В покое высокий уровень на выходе Q0 счетчика DD1 поддерживает конденсатор С8 в заряженном состоянии. В момент переключения компаратора на выходе S0 — логический 0 и конденсатор С8 медленно разряжается через резистор R13. Когда достигается порог коммутации элемента DD1.2, его выход 4 оказывается в состоянии логической 1. Этот положительный фронт передается на вход установки в 0 микросхемы 4017 через элементы DD1.3 и DD1.4.
Аналогичным образом счетчик сбрасывается в 0 благодаря другому входу элемента DD1.3, когда несколько переключений компаратора будут зарегистрированы счетчиком DA12. Это происходит в интервале, предоставленном для повторной инициализации радара. Цепь R14C9 задерживает сигнал сброса счетчика в 0 по этому входу, чтобы правильно запустить одновибратор, управляющий реле.
Счетчик DD1 — это десятичный счетчик-дешифратор, высокий уровень на выходах которого последовательно переключается от Q0 до Q9. Первый тактовый импульс появляется на выходе Q1, второй — на Q2 и т.д. Выбирая один из выходов Q1, Q2, Q3, Q5 и Q7, определяют вес фильтрации. Когда на указанном выходе появляется 1, запускается одновибратор, начиная с элемента DD1.1.
Реле задержки. Когда высокий уровень появляется на входе 1 DD1.1, на выходе этого элемента ИЛИ-HE — 0, конденсатор СЗ разряжается и составной транзистор Т1Т2 открывается. Светодиод загорается, и реле срабатывает. Высокий уровень, появляющийся на коллекторе составного транзистора, удерживает 0 на выходе 3 DD2, который остается там до окончания времени задержки.
Настройка. Не размещайте MDU1030 так, чтобы он «смотрел» в землю, поднимите его повыше или поверните в направлении зоны наблюдения.
Во время настройки убедитесь, что оранжевый светодиод мигает при каждом передвижении. Мигание учащается со скоростью перемещения. При любом обнаружении, спровоцированном вами, в течение примерно пяти секунд горит красный светодиод и срабатывает электрический контакт, который будет принят во внимание охранным пультом.
Когда вы находитесь рядом с детектором, должен мигать оранжевый светодиод. Предварительно включите микропереключатель, соответствующий выходу Q7 микросхемы 4017. Отойдите и оцените мигание светодиода. Вернитесь и отрегулируйте RP1 так, чтобы получить желаемую чувствительность.
Теперь следует отрегулировать цифровой фильтр. Для этого понаблюдайте за обоими светодиодами и выберите степень фильтрации, соответствующую вашей цели. При очень медленном перемещении будет мигать только оранжевый светодиод, а красный не загорится.
Напротив, очень быстрое перемещение вызовет несколько вспышек оранжевого светодиода и включится красный светодиод: активизируется реле и сработает электрический контакт.
Передатчик для датчика вторжения
Рассматриваемый передатчик представляет ВЧ интерфейс, пригодный для любого детектора вторжения, пассивного или активного, оснащенного контактом НО или контактом НЗ. Если датчик регистрирует вторжение, кодер MC145026 (pdf) в течение нескольких секунд генерирует циклический двоичный код. Модуль ВЧ передатчика кода — это компактное, совершенное и недорогое устройство с мощностью потребления 10 мВт. Несущая частота сигнала, модулированного по амплитуде, равна 433,92 МГц.
Схема Принципиальная электрическая схема включает в себя ВЧ передатчик, кодер, формирователь задержки и входной каскад, схемное решение которого позволяет взаимодействовать с цепями или контактами как НО, так и НЗ.
