Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

сигнала на две области: все, что больше порога, считается полезным сигналом; все, что меньше – помеховым. Встречаются более сложные ситуации. Диапазон амплитуд полезных сигналов может быть ограничен как снизу, так и сверху. Вес человека превосходит силу случайных воздействий, но он ниже веса слона или автомобиля, появление которых необходимо игнорировать или реагировать на них иначе, чем на появление человека. В подобных случаях может понадобиться двухпороговый или даже многопороговый компаратор. Его несложно собрать из нескольких однопороговых и ряда простейших логических элементов И, ИЛИ и НЕ.

Попадая в ЗЧ датчика, нарушитель воздействует на него в течение определенного промежутка времени. Даже если ЗЧ имеет форму тонкого луча диаметром в несколько миллиметров, а очень худой человек с поперечным размером bmin = 0,2 м пересекает его с максимальной скоростью vmax = 7 м/с, длительность сигнала не может стать меньше, чем τmin = bmin / vmax = 0,03 с. Человек не успеет войти в дверь, открываемую менее чем на 0,3…0,4 с. С другой стороны, среди множества разнообразных помеховых воздействий есть много таких, длительность которых очень мала. К ним относятся грозовые разряды, случайные удары, брошенная бутылка. Все слышали вой хора автомобильных сирен, который поднимается в ответ на акустическую ударную волну, сопровождающую молнию или пролет сверхзвукового истребителя. К сожалению в некоторых противоугонных системах не предусмотрена селекция сигналов по длительности, хотя сделать это легко. Небольшие усложнения позволяют значительно повысить помехоустойчивость СО.

Схемы компараторов с селекцией сигналов по длительности приведены на рис. 1.4.13. Первая схема является чисто аналоговой. В ней КА – любой амплитудный компаратор с аналоговым выходом, например, из числа представленных на рис. 1.4.11. Цепь R2, C1 определяет величину порога длительности сигнала τ0. СопротивлениерезистораR2 составляет100 кОм…1 МОм. Цепь R1, VD1 служит для быстрого разряда конденсатора C1 после короткого помехового импульса. Сопротивление резистора R1 на порядок меньше R2. Цепь R3, R4 – делитель напряжения. Конденсатор C2 емкостью около 0,1 мкФ служит для стабилизации опорного напряжения. Сопротивление резисторов R3 и R4 не должно быть слишком большим во избежание тепловых шумов и наводок и слишком малым – для снижения потребляемого тока. Рекомендуется устанавливать R3 = R4 = 0,1…1 МОм. Требуемое пороговое значение τ0 = 0,7R2C1 определяется значением емкости C1. К формированию положительного сигнала на выходе схемы будет приводить только появление более длительных импульсов. В случае τ0 = 0,1 с значения сопротивлений и емкостей составят R1 = 12 кОм; R2 = R3 = R4 = 220 кОм; (для напряжения питания около 10 В); C1 = 0,68 мкФ; C2 = 0,1 мкФ.

Вторая схема (рис. 1.4.13б) реализует цифровой метод селекции импульсов по длительности. Он позволяет исключить из схемы конденсаторы большой емкости, экономя размеры и повышая стабильность основ-

ных параметров СО. Здесь КЦ – любой амплитудный компаратор с цифровым выходом, например, представленный на рис. 1.4.12. Сигнал высокого уровня на выходе КЦ запускает генератор импульсов на элементах DD1.1 и DD1.3. Период следования импульсов составляет TИ = 1,38R1C1. Импульсы подаются на счетный вход CE счетчика DD2, вход сброса R которого управляется инвертором на элементе DD1.2. Двоичный счетчик DD2 подсчитывает спады импульсов. После прихода с генератора восьмого импульса на выходе схемы будет сформирован сигнал высокого уровня UВЫХ. Пороговое значение длительности составит τ0 = 7,5TИ = 10R1C1. Значение R1 выбирается в пределах от 10 до 1000 кОм. Величина C1 определяется по требуемой пороговой длительности τ0. Для τ0 = 0,1 с и R1 = 1 МОм получим C1 = 10 нФ.

Рис. 1.4.13 Схемы компараторов с селекцией по длительности

Реле тревоги

Возникновение сигнала высокого уровня на выходе компаратора свидетельствует о появлении нарушителя. Остается преобразовать сигнал таким образом, чтобы его можно было передать по длинной проводной линии, и чтобы он был понятен центральной пультовой аппаратуре или любому стандартному исполнительному устройству. Кроме того, необходимо исключить влияние СО и пультовой аппаратуры друг на друга. Случайный или намеренный выход из строя одной составной части системы охранной сигнализации не должен приводить к повреждению остальных частей системы. Для передачи сигнала по длинной линии и электрического разделения цепей служит электромагнитное реле. Его управляющая обмотка принадлежит СО, а гальванически не связанные с ней контакты реле, хотя и располагаются внутри СО, – принадлежат пультовой аппаратуре, которая контролирует состояние контактов (замкнуто/разомкнуто) путем подачи в сигнальную линию собственного напряжения. Стандартную длительность размыкания контактов или время выдержки сигнала тревоги обеспечивает одновибратор. Этот элемент широко распространен в различных электронных схемах. При подаче на его вход импульса произвольной (обычно небольшой) длительности он формирует импульс фиксированной продолжительности. Но какой

именно? Слишком короткий сигнал менее нескольких десятых долей секунды может быть потерян на фоне действующих в длинной проводной линии импульсных помех. Слишком длинный более нескольких десятков секунд приведет к необоснованным потерям драгоценного времени на принятие пультовой аппаратурой окончательного решения. Поэтому длительность сигнала тревоги, передаваемого по проводной линии, должна находиться в пределах нескольких секунд. Конечно, бывают и исключения, когда недопустима потеря даже десятых долей секунды, например, при включении камеры видеонаблюдения по сигналу тревоги, – но это случай особый. Задание длительности в общем случае не требует высокой точности, вполне допустима погрешность в пределах ±50%. Следовательно, собственно реле тревоги должно состоять из одновибратора, задающего длительность сигнала тревоги, и исполнительного реле, управляемого сигналом фиксированной длительности.

Варианты типовых схем одновибраторов можно видеть на рис. 1.4.14. Первая из них выполнена RS-триг- гере (рис. 1.4.14а). В начальном состоянии на входе S триггера и на его выходе Q – сигналы низкого уровня. Приход на вход сигнала высокого уровня переводит выход Q также в состояние высокого уровня. Конденсатор C начинает заряжаться через резистор R и через время TТР = (RC) × ln2 = 0,69RC сигнал на входе R превысит пороговое значение, триггер будет сброшен и выходной сигнал примет значение низкого уровня. В данной схеме длительность входного импульса не должна превышать TТР.

Рис. 1.4.14 Одновибраторы

Схема одновибратора на D-триггере (рис. 1.4.14б) отличается от предыдущей тем, что ее запуск осуществляется фронтом входного импульса. В связи с этим длительность входного импульса может быть произвольной. Время выдержки в любом случае составит TТР = (RC) × ln2 = 0,69RC.

Исходное состояние одновибратора на двоичном счетчике (рис. 1.4.14в) – сигнал низкого уровня на входе начальной установки R микросхемы DD1. На ее выходе «8» – сигнал высокого уровня, который через нижний вход DD2.1 блокирует работу генератора, выполненного на элементах DD2.1 и DD2.3, а через эле-

мент DD2.2 поддерживает выходной сигнал UВЫХ в состоянии низкого уровня. Фронт входного сигнала высокого уровня выделяется дифференцирующей цепочкой C1, R1. Он поступает на вход R счетчика DD1 и переводит все его выходы DD1 в состояние низкого уровня. В результате выходной сигнал UВЫХ принимает значение высокого уровня, а генератор на элементах DD2.1 и DD2.3 начинает формирование импульсов с периодом 1,38R2C2. Импульсы поступают на счетный вход CE микросхемы DD1. Показание счетчика увеличится на единицу сразу после включения генератора. После окончания седьмого импульса на выходе «4» счетчика устанавливается сигнал высокого уровня, который через вход C блокирует счет импульсов. Генератор останавливается, выходной сигнал UВЫХ принимает значение низкого уровня. Длительность выходного сигнала составляет семь периодов генератора TТР = 7×1,38×R2C2 = 9,7R2C2. Для R2 = 1 МОм, C2 = 0,33 мкФ время выдержки сотавит TТР = 3,2 с. По сравнению с предыдущими в данной схеме нет громоздких конденсаторов большой емкости. Выбор того или иного варианта одновибратора (рис. 1.4.14) чаще всего связан с тем, какая именно «половинка» или «четвертинка» микросхемы оказывается свободной во всей схеме СО. Микросхема 561ЛЕ5 содержит четыре элемента 2И-НЕ, 561ТР2 – четыре RS-триггера, 561ИЕ10 – два четырехразрядных счетчика, а 561ТМ2 – два D-тригге- ра.

Электромагнитные реле

Сигнал тревоги фиксированной длительности, формируемый на выходе одновибратора, должен быть передан на большое расстояние. Выход СО с открытым коллектором обеспечивает дальность до нескольких километров, но не дает возможности изолировать электронную схему СО от напряжений, которые наводятся

впротяженной проводной линии или подаются через ее приемный конец. Реле на выходе СО предназначено для его электрической изоляции от тех внешних цепей,

вкоторые подается сигнал тревоги.

Контакты реле подсоединены к внешней по отношению к СО электрической цепи. При работе с пультовой аппаратурой на них может быть подано максимальное напряжение до 30 вольт, поскольку данная аппаратура, как и СО, питается от источников напряжением 10…15 В или 20…30 В. Коммутируемый ток также невелик и обычно не превышает 30 мА. По этим параметрам вполне подходят небольшие электромагнитные реле типов РЭС-49, РЭС-60 и РЭС-80. В отдельных случаях СО предназначаются для непосредственного включения по сигналам тревоги различных исполнительных устройств: телевизионных камер, сирен, прожекторов. Тогда могут потребоваться реле с коммутируемым напряжением до 220 вольт и коммутируемым током до десятков ампер. В этих случаях длительность сигнала тревоги также потребует коррекции. Обычно пультовая аппаратура работает с сигнальными цепями, обладающими в дежурном режиме сопротивлением 1…30 кОм, а в состоянии тревоги – ∞ (обрыв). В случае объединения нескольких СО в одну

зону путем их последовательного соединения одно СО (самое дальнее) имеет оконечный резистор сопротивлением 1…30 кОм, а остальные – нормально замкнутые контакты (в дежурном режиме). Иногда пультовая аппаратура предполагает работу с сигнальными цепями, сопротивление которых в дежурном режиме составляет 1…30 кОм, а в состоянии тревоги – менее 200 Ом (короткое замыкание с учетом сопротивления проводов). Возможность подключения к произвольной пультовой аппаратуре гарантируется наличием на выходе СО как нормально замкнутых, так и нормально разомкнутых контактов реле.

В состав любого реле входит управляющая и коммутируемая (управляемая) цепь. Обе цепи электрически изолированны друг от друга. Подача напряжения в управляющую цепь приводит к замыканию или размыканию коммутируемой цепи. В качестве элементов СО применяются три основных типа реле: чаще всего нейтральные (обычные) электромагнитные реле, несколько реже – поляризованные электромагнитные реле, еще реже – оптореле. Обычные электромагнитные реле переключают коммутируемую цепь на все то время, в течение которого управляющая цепь находится под напряжением. Поляризованные двухстабильные реле требуют подачи электрического импульса напряжения только в момент переключения. В оптореле связь управляющей и коммутируемой цепи осуществляется через инфракрасное излучение, но, как и в обычных электромагнитных реле, требуется постоянно подавать управляющее напряжение на все время переключения.

На выбор реле для использования в составе СО влияют многие его параметры. Прежде всего, это рабочее напряжение UРАБ, которое необходимо подать на управляющую цепь реле для его надежного включения. Рабочее напряжение обычного электромагнитного реле превышает напряжение срабатывания UСРАБ на 30…50%; оно должно составлять 6…10 В при напряжении питания СО 12 В и 12…20 В при напряжении питания 24 В. Если ориентироваться на напряжение срабатывания, то сила прижатия контактов в коммутируемой цепи может оказаться слишком слабой для их удержания при изменении температуры, давления, под действием вибрации, ударов или акустического шума. Рабочий ток реле должен быть минимальным и не должен превышать 20…30 мА, иначе на него будет приходиться весь потребляемый СО ток. Обычные электромагнитные реле обладают гистерезисом: ток срабатывания IСРАБ превосходит ток отпускания IОТП. Их отношение называется коэффициентом возврата и составляет KВОЗ = IСРАБ / IОТП = 0,1…0,98. Часто считают несущественным такой показатель, как общее количество переключений реле. Это не так. Действительно, нарушитель появляется редко, но необходимость регулярной (до одного раза в час) проверки СО может потребовать за 10 лет до 100000 переключений реле. Сопротивление изоляции (между управляющей и коммутируемой цепями реле) обычно превышает 200 МОм, что более чем достаточно. А вот напряжение изоляции желательно иметь не менее 2000 вольт, особенно для коммутации протяженных проводных линий, прохо-

дящих вне зданий и помещений, где особенно сильно сказывается наличие наводок. Напряжение изоляции, называемое также электрической прочностью реле, – это напряжение между управляющей и коммутируемой цепями, которое не может привести к повреждению реле. Как всегда, важны рабочий диапазон температур и атмосферного давления. Электромагнитные реле содержат подвижные элементы, поэтому для них следует учитывать устойчивость к вибрации и ударам. И конечно, реле должны иметь небольшие размеры (до несольких кубических сантиметров) и массу (до несольких десятков грамм).

Ряд параметров реле не является определяющим при их выборе для использования в средствах охранной сигнализации. Небольшие коммутируемые токи до 30 мА и напряжения до 30 В обеспечиваются практически всеми типами реле. Время непрерывного нахождения управляющей обмотки обычного электромагнитного реле под напряжением составляет около 100 часов, этого более чем достаточно. Время срабатывания электромагнитного реле – 1…30 мс, что существенно меньше длительности сигнала тревоги. Сопротивление замкнутых контактов реле составляет 0,1…2 Ом, что значительно меньше сопротивления сигнальной линии. Контакты реле, установленного в СО, работают на активную нагрузку, то есть в наиболее благоприятном режиме.

Схемы включения обычных электромагнитных реле даны на рисунке 1.4.15. В первой из них входной импульс положительной полярности длительностью несколько секунд открывает транзистор VT1, и на управляющую обмотку реле K1 подается напряжение питания UПИТ. Протекающий через нее ток отсоединяет контакт Я (якорь) от контакта НЗ (нормальнозамкнутый) и подсоединяет его к контакту НР (нормальноразомкнутый). Вывод ЯR подключен к якорю через резистор R2 сопротивлением 1…30 кОм, выполняющий роль оконечного. Контакты реле (рис. 1.4.15а) показаны в дежурном режиме СО. Подсоединение пультовой аппаратуры производится через контакты ЯR (или Я) и НЗ, исполнительных устройств – через Я и НР. При коммутации токов более 0,1 А полезно подсоединить между контактами Я и НР искрогасящий конденсатор емкостью 0,01…0,1 мкФ (показан пунктиром). Он позволит значительно продлить жизнь контактам реле, защитив их поверхность от обгорания в момент разрыва цепи. Импульсный диод VD1 защищает транзистор VT1 от пробоя импульсом высокого напряжения, формируемым индуктивной обмоткой реле K1 в момент закрывания транзистора. Когда транзистор VT1 открыт, через управляющую обмотку реле K1 протекает ток IK1 ≈ UПИТ / RОБМ, где RОБМ – активное сопротивление управляющей обмотки. Для полного открывания транзистора он должен находиться в насыщении, что обеспечивается током базы, в 10 раз меньшим требуемого тока коллектора. Резистор R1 ограничивает ток базы на требуемом уровне. Если амплитуда входного импульса равна напряжению питания, то R1 = 10RОБМ. Например, если UПИТ = 24 В, а RK1 = 4 кОм, то ток коллектора 6 мА, а R1 = 39 кОм.

Рис. 1.4.15 Схемы включения и цоколевка электромагнитных реле

В качестве реле K1 можно использовать многие виды реле. Цоколевка некоторых типов обычных одностабильных реле приведена на рис. 1.4.15в, а их основные характеристики – в таблице 1.4.1. Из огромного количества реле выбраны те, которые пригодны для напряженией питания 10…30 В, имеют малые размеры и коммутируют слаботочные цепи. Сюда же включены герконовые реле (РЭС42, РЭС64), которые отличаются меньшими токами срабатывания, но при этом слабой стойкостью к механическим воздействиям, таким как удары, тряска и вибрация. Герконовые реле нельзя устанавливать в автомобильную сигнализацию или в любую другую, где имеется повышенный уровень мехенических воздействий. Количество срабатываний реле при коммутации активной нагрузки в цепях постоянного тока до 0,1 ампера напряжением до 30 вольт для обычных реле составляет около ста тысяч, для герконовых – около десяти миллионов.

Первая схема (рис. 1.4.15а) имеет один недостаток: отсутствие напряжения питания СО останется незамеченным в течение длительного срока. Контакты НЗ и Я будут замкнуты просто в силу того, что отключено питание СО. Поэтому лучше использовать видоизмененную схему (рис. 1.4.15б), на входе которой введен инвертор DD1 (микросхема 561ЛН2 или аналогичная). Теперь обмотка реле K1 будет постоянно находиться под напряжением, за исключением времени подачи сигнала тревоги; контакты реле НР и НЗ меняются местами (изображение на рис. 1.4.15б соответствует обесточенному состоянию реле K1). После включения питания СО контакты НЗ и Я замкнутся до появления сигнала тревоги (или до снятия напряжения питания со СО). Теперь, если сигнальная линия разомкнется на несколько секунд – это сигнал тревоги, если на длительный период, – значит, возникла проблема с питанием СО. Данная схема также имеет небольшой недостаток: управляющая обмотка реле постоянно находится под напряжением. Через нее все сремя протекает ток от 5 до 30 мА (в зависимости от напряжения питания и от типа реле), что обычно составляет значительную долю от полного тока, потребляемого СО. Разве не удивительно: тратить почти всю электроэнергию на сигнализацию о ее наличии? Но другого выхода нет. Или точнее, не было до тех пор, пока не появились поляризованные реле.

Поляризованные реле

Существенно сократить потребляемый ток СО позволяет применение поляризованных реле. Термин «поляризованное» означает наличие внутри электромагнитного реле небольшого постоянного магнита, смещающего рабочую точку его обмотки. В результате на обмотку реле допускается подавать ток только в определенном направлении, а якорь (подвижный контакт) может не возвращаться в исходное состояние после снятия напряжения с обмотки. Реле приобретает важное свойство двухстабильности. Подобная разновидность поляризованных реле называется реле-переклю- чатель. Оно имеет две управляющие обмотки и работает следующим образом. При кратковременной подаче напряжения на одну обмотку контакты реле переходят в первое устойчивое состояние, при кратковременной

подаче напряжения на другую – они переключаются в другое устойчивое состояние. Напряжение подается на 5…100 мс, поэтому энергопотребление схемы сокращается значительно. Время срабатывания поляризованного реле составляет 5…15 мс в зависимости от его типа, для надежного переключения реле длительность подаваемого импульса устанавливается в 2…7 раз больше. В любом случае она не должна превышать одной секунды, иначе произойдет перегрев обмотки. Понятно, что нельзя коммутировать переключающий импульс собственными контактными группами реле, так как оно может зависнуть в недопереключенном состоянии. Магнитная система поляризованного реле смещена под действием постоянного магнита и тонко сбалансирована, поэтому подаваемое на обмотку напряжение не должно отличаться от рабочего более чем на 50% ни в меньшую, ни в большую сторону.

Параметры некоторых двустабильных поляризованных реле типа РПС45 приведены в таблице 1.4.2. Они наиболее подходят для применения в СО. Реле РПС45 содержит две группы контактов, обозначенных номерами 11, 12, 13 и 21, 22, 23, и две обмотки: А-Б и В-Г. После подачи напряжения на первую (плюс на контакт А, минус – на Б), замыкаются контакты 12 с 13 и 22 с 23. Подача напряжения на обмотку В-Г (плюс на В, минус на Г) переключает реле в противоположное состояние: замыкает контакты 12 с 11, а 22 с 21. Обмотки внутри реле включены встречно, поэтому допускается соединение контактов Б и Г с последующей подачей переключающих импульсов на контакты А и В. В этом случае полярность импульса определяет направление переключения. Время срабатывания реле РПС45 составляет 5 мс, количество срабатываний при коммутации активной нагрузки в цепях постоянного тока до 0,1 ампера напряжением до 30 вольт – около ста тысяч, масса – 3,5 г, размеры – 6,5×13,5×12,5, диапазон рабочих температур – от минус 60 до плюс 125°C.

Таблица 1.4.2 Поляризованные реле

Схемы реле тревоги на основе поляризованных реле приведены на рисунке 1.4.16, здесь же дана цоколевка реле РПС45. На вход первой схемы (рис. 1.4.16а) в дежурном режиме поступает сигнал низкого уровня, а сигнал тревоги имеет высокий уровень при длительности в несколько секунд. Фронт сигнала тревоги выделяется элементами C1, R3. В результате на выходе DD1.2 формируется импульс низкого уровня длительностью TИМП = 0,7R3C1 = 20 мс. Через открытый транзистор VT1 на обмотку А-Б поляризованного реле подается импульс, размыкающий сигнальную цепь СО (контакты НЗ и Я). Спад импульса сигнала тревоги аналогичным образом последовательно проходит через элементы DD1.1, C2, R4, DD1.3, R6, VT2 и возвращает реле в дежурное состояние, в котором замкнуты его

контакты 11 и 12. Резистор R1 ограничивает тока на спаде импульса сигнала тревоги и защищает выходную цепь предыдущего каскада. Аналогичной цели служит резистор R2. При напряжении питания схемы UПИТ = 12 В следует взять реле РПС45 с обмоткой сопротивлением 150 Ом. Тогда коллекторный ток транзисторов VT1, VT2 может достигать 100 мА и в их качестве подойдут популярные КТ3107. Резисторы R5 и R6 ограничивают ток базы транзисторов VT1 и VT2 соотсетственно на уровне 10 мА (с учетом выходного сопротивления микросхем DD1.2 и DD1.3). После первого включения контакты поляризованного реле могут находиться в произвольном состоянии. Поэтому, подав питание на СО, необходимо вызвать его срабатывание, проведя пробный проход. После этого СО полностью перейдет в дежурный режим. Схема отличается простотой, но состояние реле неопределенно и после подачи питания, и после его снятия. Это затрудняет работу системы охранной сигнализации при большом количестве датчиков.

Рис. 1.4.16 Схемы включения и цоколевка поляризованного реле

Вторая схема (рис. 1.4.16б) дополнительно содержит как цепи принудительного перевода контактов ре-