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

ваться генераторами на двух инверторах (аналогично изображенному на рис. 1.4.14). Питание генераторов также должно осуществляться от точки a. Вторая возможность – общий генератор с цепочкой делителей, питаемые от общего для всего СО напряжения. В этом случае между выходами генератора и входами C регистров DD3.1 и DD3.2 должны быть установлены преобразователи уровней (например, на микросхеме 561ПУ4, питаемой от цепи a) для согласования уровней сигналов. Все приведенные схемы (рис. 1.4.16) реализованы на поляризованных реле РПС45.

Сигнал пропадания напряжения питания в приведенных схемах совмещается с сигналом тревоги и переводит реле в «тревожное» состояние. Подобное решение обеспечивает простоту построения СО, но оно не всегда удобно. Непрерывный сигнал тревоги может говорить как об отсутствии питания, так и о банальном обрыве сигнальной линии, а возможно и о попытке нарушителя снять СО. Если есть возможность раздельной передачи сигналов, то естественно направить сигнал снижения напряжения питания с катода DA1 (рис. 1.4.16) не на реле тревоги, а по отдельной цепи.

Оптореле

Электромагнитные реле – как обычные, так и поляризованные – при использовании их в СО обладают рядом недостатков. В основе этих реле лежит принцип электромагнита. Поэтому любое из них подвержено воздействию магнитных полей. В свое время мы выбирали из всего множества реле те, которые срабатывают при протекании через управляющую обмотку минимальных токов. Действующие магнитные поля в них также невелики, а якорь – весьма чувствителен. Порог срабатывания вряд ли может быть достигнут флуктуацией магнитного поля Земли или магнитной бурей. А вот близость сильного магнита или мощного электродвигателя способна повлиять на работу «сердца» СО. Можно защитить реле, разместив его внутри магнитного экрана, представляющего собой контейнер из ферромагнитного материала толщиной в несколько миллиметров. Однако, при этом возрастут и размеры и стоимость СО. Второй недостаток электромагнитных реле заключается в повышенной чувствительности к ударам и вибрации. Подвижность якоря проявляется наиболее сильно, когда напряжение на обмотке понижено и не достигает значения рабочего напряжения, а также когда направление ударов перпендикулярно к оси поворота якоря. Еще один недостаток электромагнитных реле вновь связан с наличием в них механических элементов, он проявляется в пониженной надежности реле. После каждого срабатывания немного стирается ось якоря, слегка растягивается возвратная пружина; постепенное старение приводит к тому, что параметры реле меняются. Через несколько лет непрерывной эксплуатации якорь реле может заклинить и любое срабатывание станет последним. Механизм реле находится в замкнутом объеме корпуса, не только изолирующего его от внешних воздействий, но и повышающего теплоизоляцию реле. Как результат, четвертый недостаток – возможность перегрева реле. Он прояв-

ляется при пониженном атмосферном давлении, длительной подаче напряжения на обмотку реле или при слегка повышенном напряжении на обмотке реле, так как зависимость рассеиваемой мощности от напряжения – квадратичная. Все недостатки – не очень существенные, их можно преодолеть. Но лучше, чтобы их не было совсем. Полное избавление дает применение оптоэлектронных реле или просто – оптореле.

Оптореле (рис. 1.4.17а) состоит из входного инфракрасного светодиода и выходных МОП-транзисторов, управляемых фоточувствительной схемой. Светодиод играет роль управляющей обмотки реле, МОП-тран- зисторы – выходных контактов реле. Пока через светодиод протекает достаточный ток, сопротивление МОП-транзисторов будет иметь небольшое значение. Полное представление о работе оптореле дает зависимость сопротивления между выходными контактами RВЫХ от входного тока IВХ (рис. 1.4.17б). При возрастании входного тока IВХ от 0 до 0,2…0,7 мА (в зависимости от типа и конкретного экземпляра оптореле, внешних условий и т.п.) выходные «контакты» разомкнуты и RВЫХ ≈ 100 ГОм. При дальнейшем возрастании тока до значений IВХ = 1…2 мА выходные МОП-тран- зисторы открываются и их сопротивление резко падает до RВЫХ ≈ 100 Ом. Светодиод работает в инфракрасном диапазоне, поэтому падение напряжения на нем невелико и составляет около UВХ ≈ 1,0 В. Увеличение тока до 5 мА обеспечивает надежное открывание оптореле. Максимальное значение входного тока IВХ ≈ 25 мА, при этом напряжение на светодиоде возрастает до UВХ ≈ 1,5 В. Дальнейшее увеличение входного тока нежелательно, так как светодиод может выйти из строя. При уменьшении входного тока все стадии протекают в обратном порядке; в отличие от электромагнитных реле, оптореле не обладают гистерезисом.

Рис. 1.4.17 Оптореле

Оптореле обладают рядом важных достоинств. Конструкция оптореле монолитная или, как говорят, твердотельная. В нем нет подвижных деталей и контактов, а коммутация цепей производится электронными схемами. Благодаря этому, для оптореле характерны

высокая надежность, длительное время жизни, высокая скорость переключения и отсутствие дребезга контактов. Связь управляющего светодиода и выходных контактов осуществляется с помощью ИК излучения, поэтому обе цепи электрически не связаны. По сравнению с электромагнитными реле, оптореле отличаются невосприимчивостью к внешним магнитным полям, повышенной стойкостью к ударам и вибрации, меньшими размерами и более высокой чувствительностью, то есть срабатыванием при малых входных токах. Есть и недостаток. Некоторые оптореле имеют ограничения на минимальный коммутируемый ток на уровне 0,1…0,5 мА, так как токи утечки МОП-транзисторов в разомкнутом состоянии могут достигать десятков микроампер.

Схема включения оптореле приведена на рис. 1.4.17в. Ее питание осуществляется от нестабилизированного источника напряжением от 10 до 15 вольт. В дежурном режиме входное напряжение UВХ близко к напряжению питания UПИТ. В течение сигнала тревоги оно уменьшается до 0 В. Сопротивление резистора R3 должно обеспечивать в наихудших условиях ток через светодиод не менее 5 мА (в дежурном режиме). Учитывая максимальное напряжение на светодиоде 1,5 В и максимальное напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора VT1 0,25 В, получаем R3 ≤ (10 В

– 1,5 В – 0,25 В) / 5 мА = 1,65 кОм. Можно установить R3 = 1,5 кОм ± 10%. Максимальный ток через светодиод составит Imax = (15 В – 1 В) / 1,35 кОм = 10 мА. Чтобы транзистор работал в ключевом режиме, ток базы должен составлять одну десятую от тока коллектора, отсюда величина сопротивления R1 ≤ (15 В – 1 В) / 1,0 мА = 14 кОм. Например, R1 = 10 кОм ± 10%. Для устойчивой работы оптореле необходим еще один резистор – R2. Он шунтирует небольшой коллекторный ток IC транзистора VT1 в закрытом состоянии. Отсутствие излучения любого инфракрасного светодиода гарантируется при напряжении на нем менее 0,8 В, поэтому R2 ≤ 0,8 В / IC. Для максимального тока IC = 2 мкА получим R2 ≤ 400 кОм, например, R2 = 330 кОм ± 20%. Сопротивление резистора R4, как и прежде, R4 = 1…30 кОм.

Основная цель использования оптореле U1 (рис. 1.4.17в) заключалась в обеспечении полной гальванической развязки всей электронной схемы СО от внешних электрических цепей. Однако, это таит в себе одну опасность. Если гальванической связи действительно нет, например, когда СО питается от собственной аккумуляторной батареи и находится в изолированном неза-

земленном корпусе, то незначительные токи утечки (порядка I ≈ 1 пА) могут привести к накоплению на СО статического заряда. За сутки (T ≈ 100000 с) на емкости оптореле (C ≈ 100 пФ) может накопиться заряд, дающий разность потенциалов ΔU = IT / C ≈ 10–12×105/10–10 = 1000 В. Во избежание пробоя оптореле статическим электричеством полезно соединить его выходную и входную цепи резистором большого сопротивления от 1 до 10 МОм. Практически не влияя на работу аппаратуры, он обеспечит медленное стекание зарядов со СО. Например, можно соединить вывод 4, 5 или 6 оптореле U1 с общим выводом левой части схемы, как показано на рис. 1.4.17в пунктиром. Можно избрать и другой, хотя и более дорогостоящий путь, заключив СО в проводящую оболочку, которую впоследствии заземлить. Если пультовая аппаратура также заземлена, то заряды изначально не будут накапливаться.

Основные параметры некоторых наиболее подходящих оптореле приведены в таблице 1.4.3. Они коммутируют значительные токи до IКОМ = 300 мА и напряжения до UКОМ = 400 В. Их цоколевка дана на рисунке 1.4.17г. Каждое из этих оптореле выполнено в корпусе DIP-6, размеры которого составляют 9,9×6,6×4,0 мм. Время включения – 2…3 мс. Оптореле КР293КП1 содержит одну группу нормальноразомкнутых контактов (1НР), КР293КП5 – одну группу нормальнозамкнутых контактов (1НЗ). Имеются реле с двумя группами контактов: 2НР (КР293КП3), 2НЗ (КР293КП7), 1НР + 1НЗ (КР293КП9). Для работы вне помещений требуется повышенное (более 2000 В) напряжение изоляции, которое обеспечивается отечественными оптореле серии К449КП (UИЗОЛ ≥ 3000 В). При необходимости управления мощной нагрузкой можно подобрать оптореле с коммутируемым напряжением до ~660 В и током до 100 А. Многие реле, управляющие включением нагрузки в сети переменного тока, обеспечивают ее подключение в момент перехода питающего напряжения через ноль, что обеспечивает минимальный уровень излучаемых помех.

Реле позволяет передавать сигнал тревоги по длинной проводной линии на центральный пульт. Для местной его индикации можно обойтись более простыми средствами. Индикация возможна в двух вариантах: с помощью светового или звукового сигнала. Наиболее экономичный способ визуальной индикации – использование излучения красного светодиода, хорошо видимого на расстояниях до нескольких десятков метров. Он удобен во время проверки работоспособности

Таблица 1.4.3 Параметры оптореле

или настройки СО с небольшой ЗО. Перемещяясь вблизи от датчика, человек имеет возможность наблюдать наличие срабатываний в реальном времени. Схема местной световой индикации (рис. 1.4.18а) управляется тем же сигналом тревоги фиксированной длительности, который используется в реле тревоги. Времени свечения в несколько секунд вполне достаточно для того, чтобы убедиться в наличии срабатывания.

Рис. 1.4.18 Схемы световой и звуковой индикации сигнала тревоги

Если размеры ЗО превышают несколько десятков метров, разглядеть свечение светодиода будет сложно, особенно в яркий солнечный день. Здесь может быть полезен звуковой сигнал (рис. 1.4.18б). Вообще хотелось бы, чтобы зона отчетливой индикации срабатывания совпадала с ЗО датчика. Приведенная схема представляет стандартное включение микросхемы LM386 и при умеренной мощности около одного ватта обеспечивает дальность слышимости до 50 метров. Собственно звуковой излучатель BA1 может быть съемным, что не только защищает его от механических повреждений, но и решает проблему отключения местной индикации после окончания пробных испытаний.

В пределах одной квартиры или небольшого домика можно отказаться от схем с гальванической развязкой, воспользовавшись более простыми схемами с открытым коллектором. Для этого достаточно исключить элементы VD1 и K1 из схемы рис. 1.4.15а, снимая сигнал тревоги непосредственно с коллектора транзистора VT1. Такой подход позволяет сэкономить не только на дорогостоящих реле, но и на одном проводе сигнальной цепи.

Пример. Опредилим параметры алгоритма некоторого тензометрического СО, если чувствительность используемого датчика равна k = 20 мкВ/Н, а минимальная длительность полезного воздействия составляет τmin = 0,2 с. Тогда в состав СО войдут (рис. 1.4.19) чувствительный элемент (ЧЭ), усилитель (У) с коэффициентом усиления KУС = 200, полосовой фильтр (Ф) с полосой пропускания от FН ≈ 0,016 / τmin = 0,08 Гц до FВ ≈ 1,6 / τmin = 8 Гц, компаратор (К) с регулируемым порогом амплитуды UПОР = 0,6…2,0 В (что соответству-

ет силе воздействия от 15 до 50 кГ) и порогом длительности сигнала 0,2 с и реле тревоги (РТ).

Формированием сигнала тревоги заканчивается алгоритм обнаружения или селекции полезных сигналов на фоне помеховых. Зная параметры этих сигналов и параметры алгоритма – нижнюю и верхнюю частоты фильтра FН и FВ, порог срабатывания UПОР и время селекции по длительности τmin – можно оценить вероятность обнаружения PО и время наработки на ложную тревогу TЛТ. Есть ряд более или менее обязательных элементов, входящих в состав СО, которые не связаны непосредственно с алгоритмом обнаружения. Они реализуют вспомогательные функции СО и их наличие направлено на улучшение его неосновных характеристик. К этим элементам относятся схемы преобразователей и стабилизаторов напряжения, датчиков вскрытия (ДВ), проверки работоспособности (ПР) или дистанционного контроля (ДК), тактовые генераторы, схемы грозозащиты и заземления. Ограниченный объем изложения не позволяет остановиться на них более подробно. Отметим лишь вкратце. Схемы питания обеспечивают стабильную работу СО от различных, в том числе нестабилизированных, источников напряжения и автоматический переход на резервное питание в случае пропадания основного. ДВ сигнализирует о попытках вскрытия корпуса СО или его снятия с места первоначальной установки. Схема ПР проводит постоянный контроль работоспособности средства. Генераторы тактовых импульсов (ГТИ) синхронизируют работу составных элементов; они позволяют избавиться от ненадежного и нестабильного способа задания временных интервалов с помощью RC-цепочек. Схемы грозозащиты предохраняют электронику СО от импульсов перенапряжения, которые могут быть вызваны не только молнией, но и различного рода наводками или разрядами статического электричества. От правильно выбранного заземления зависит многое в работе аппаратуры. Попробуйте ответить хотя бы на простейший вопрос: какой полюс источника питания следует заземлять – положительный или отрицательный?

Итак, необходимыми составными частями пассивного СО являются усилитель, фильтр, компаратор и реле тревоги. Стандартная схема построения ЧЭ-У-Ф- К-РТ часто обеспечивает удовлетворительные результаты, особенно в условиях умеренной помеховой обстановки. В более суровых условиях она может давать сбои в виде отдельных пропусков или ложных срабатываний. Борьба с помеховыми воздействиями требует усложнения схем построения СО и алгоритмов обработки сигналов. Существует более двадцати типовых методов усовершенствования СО, таких как подавление импульсных помех, автоматическая подстройка параметров алгоритма, выделение дополнительных информативных признаков, однако их описание выходит за рамки данного изложения.

Активные СО по степени сложности находятся выше пассивных. Они отличаются значительным разнообразием, как принципов действия, так и внутреннего устройства. Наибольшее сходство с пассивными СО имеют активные СО, работающие за счет отражения собственного излучения от обнаруживаемого объекта. Излучатель (И) служит в них для своеобразной «подсветки» ОО (рис. 1.5.1а). Определим примерный вид электрического сигнала на выходе ЧЭ, формируемого при перемещении ОО. Во время отсутствия ОО отраженный сигнал либо имеет нулевой уровень (в идеале), либо уровень естественного фона (рис. 1.5.1б, положение 1). При перемещении ОО из точки 1 в точку 2 интенсивность излучения, попадающего на ЧЭ, будет возрастать. В соответствии с этим увеличится и уровень электрического сигнала на выходе ЧЭ (положение 2). После ухода ОО из ЗО (положение 3) все вернется в исходное состояние. Схема дальнейшей обработки сигналов с выхода ЧЭ и принятия решения будет (в простейшем случае) идентична типовой схеме построения пассивного СО (рис. 1.4.2).

Рис. 1.5.1 Типовое активное СО с отражением

Сцелью экономии практически всегда излучатель

Ипосылает воздействие в окружающую среду не непрерывно, а отдельными небольшими порциями. В результате мы получаем другой вариант блок-схемы активного СО с отражением (рис. 1.5.1в). Здесь ИГ – импульсный генератор, то есть генератор электрического сигнала в виде коротких прямоугольных импульсов, следующих с определенным периодом. В принципе возможно использование генераторов импульсов другой формы или пачек импульсов, например, для распознавания «своего» сигнала от «чужого». Генератор управляет излучающим элементом ИЭ. Импульсы излучения рассеиваются в пространстве в ожидании нарушителя. Воспринимая отдельные порции воздействия, ЧЭ формирует на своем выходе электрический сигнал u(t), также состоящий из отдельных импульсов различной амплитуды. Амплитуда меняется как в связи с перемещением ОО, так и по причине воздействии различных помеховых факторов. После прохождения импульсного усилителя ИУ необходимо преобразовать отдельные импульсы (рис. 1.5.1г) в непрерывный сигнал, соединяющий «вершины» импульсов. Этой цели служит детектор огибающей (ДО). Главное преимущество активного СО с отражением состоит в том, что оно

может быть однопозиционным, благодаря чему нет необходимости прокладывать два отдельных кабеля к передающему и приемному блокам СО. Разместив излучатель и приемник в одном корпусе, получаем допол- нительноепреимущество–возможностьиспользования сигнала ИГ для выделения огибающей ДО. Эта связь показана на рис. 1.5.1в пунктиром, она позволяет значительно повысить качество восстановления огибающей. После ДО, как и обычно, следуют фильтр (Ф), компаратор (К) и реле тревоги (РТ). Они хорошо знакомы нам по анализу пассивных СО (п. 1.4). По сравнению с типовой схемой пассивного СО (рис. 1.4.2) появились два новых элемента: ИГ и ДО. Собственно ИЭ в зависимости от назначения может быть излучателем акустических или электромагнитных волн, инфракрасных или световых лучей. От него требуется только лишь способность быстро реагировать на управляющий электрический сигнал, поступающий от ИГ.

Другая разновидность активных СО – лучевые СО.

Воснове их работы лежит прерывание нарушителем искусственного потока, излучаемого СО. Они не намного сложнее рассмотренных выше активных СО с отражением. ЧЭ активного лучевого СО постоянно воспринимает воздействие его излучателя И (рис. 1.5.2а).

Вцелях экономии излучаемый сигнал также импульсный. Вид сигнала на выходе ЧЭ несколько отличается (рис. 1.5.2б). Теперь импульсы имеют наибольшую амплитуду во время отсутствия ОО. При появлении ОО он перекрывает луч и величина сигнала огибающей падает до нуля или хотя бы слегка уменьшается. Перекрытие будет неполным, если ширина луча превосходит размеры человека. Для радиолучевых СО может наблюдаться и обратная картина: убывание величины сигнала в отдельные моменты времени сменяется ее возрастанием. Но это не меняет суть дела: постоянная составляющая будет отфильтрована ФВЧ, а компаратор К может быть как однопороговым, так и двухпороговым. Таким образом, типовая схема активного лучевого СО (рис. 1.5.2в) почти полностью совпадает со схемой активного СО с отражением (рис. 1.5.1в). Она состоит из импульсного генератора (ИГ), излучающего элемента (ИЭ), чувствительного элемента (ЧЭ), детектора огибающей (ДО), фильтра (Ф), компаратора (К) и реле тревоги (РТ).

Рис. 1.5.2 Типовое активное лучевое СО

Следует сделать два важных замечания общего характера относительно лучевых СО. Во-первых, излуча-