Устройства сигнализации об открывании дверей и окон (для обеспечения безопасности детей)

Тяга детей к «открытиям» общеизвестна. Но, к сожалению, иногда она приводит к несчастным случаям. Кроме того, имеется множество других причин для установки простых, но надежных устройств, сигнализирующих о «нежелательном» открывании двери или даже окна и скомбинированных с датчиком, реаги­рующим на крик малыша. С одной стороны, такое устройство позволяет быть уверенным, что ребенок в большой квартире остается на месте, с другой стороны, оно дает возможность оста­вить его вне поля видимости (сигнализатор можно установить даже У соседей).

Самым простым и в то же время надежным решением дан­ной задачи является применение микропереключателя (рис. 4.38), который позволяет разрывать или замыкать цепи как тока покоя, так и рабочего тока. По сравнению с этим герметический контакт, переключаемый постоянным магнитом, без дополнитель­ных переделок можно использовать только для включения или выключения. При открывании двери или окна он должен пере­ходить из одного конечного положения в другое. Различные варианты установки переключателей показаны на рис, 4.39. Интересные решения позволяет реализовать переключатель со скользя­щими контактами. При открывании двери или окна контакт в этом переключателе испытывает кратковременное воздействие магнит­ного поля постоянного магнита. Это дает возможность произво­дить запуск, например, сигнального устройства с триггером на входе даже при открывании на очень короткое время. При этом можно производить также запоминание сигнала тревоги. Соответ­ствующая схема представлена на рис. 4.40. Здесь может быть использован переключатель со скользящими контактами по рис. 4.39, г. Логический уровень Н появляется на выходе каскада даже при кратковременных замыканиях контакта. Для возврата каскада в исходное состояние достаточно замкнуть нижний контакт.

В устройстве по схеме на рис. 4.40 применяется интегральная микросхема К155ЛА8, причем используется только два из четырех элемента 2И-НЕ.

Если триггер находится на большом расстоянии от контакта, необходимо предусмотреть обычные, уже описанные выше меры по предотвращению ложных срабатываний (установка RС-цепочки на входе триггера). Особое значение для обеспечения надежности подобных устройств имеет надежность срабатывания контакта. Микровыключатель, например, подвержен воздействию атмосфер­ных условий. Поэтому через контакты должен течь лишь опреде­ленный минимально допустимый ток (или должно подаваться определенное минимально допустимое напряжение) для пред­отвращения образования на них нагара и т. д. Сила тока (напря­жение) в большой степени зависит от типа контактов и их материа­ла. Например, для кажущегося «особенно надежным» большого 10-амперного микропереключателя минимально допустимый ток составляет уже 100 мА, если речь идет о замыкании контактов. И наоборот, можно следовать такому ориентировочному правилу: контактные устройства, предназначенные для меньших максималь­ных токов, особенно пригодны для небольших «линейных токов» в качестве, например, сильноточных контактных устройств. Это необходимо учитывать также тогда, когда пружины контактов играют роль и самих контактов. При этом рекомендуется предусмотреть параллельное резервирование для нормально разомкнутых контактов. Правда, ток в этом случае распределяется на несколько контактов. Для схем с нормально замкнутыми контактами более целесообразным является последовательное резервирование, чтобы предотвратить возможное «залипание» контактов. Тогда из двух последовательно включенных контактов сработает (с соответствующей вероятностью) по меньшей мере один (рис. 4.41).

Герметические контакты также имеют ограничения мини­мального тока, который в большинстве случаев достаточно мал — менее 1 мА. Кроме того, эти контакты не подвержены влиянию окружающей среды. Приведенные достоинства могут оправдать высокие затраты, связанные с их приобретением и установкой. Постоянные магниты, необходимые для таких контактов, можно взять от магнитных защелок, применяемых при изготов­лении мебели. Наиболее удобное их расположение показано на рис. 4.42. Защелка может быть использована целиком, в сборе. Параллельные металлические пластинки формируют магнитное поле.

Если сигнализатор о состоянии двери или окна должен быть расположен на каком-то расстоянии от них, потребуется про­кладка проводов. Для любителей это не должно оставаться без внимания. С первых же самоделок необходимо вести запись всех таких проводников с указанием места и направления проклад­ки, а также цвета проводов и типа соединений. Общим правилом должно быть максимально возможное удаление этих проводов от электросети. Это правило вытекает не только из требований техники безопасности, но и из условий обеспечения надежности работы электронных самодельных устройств.

Из экономических соображений для связи всех контролируе­мых мест в первую очередь можно рекомендовать, пожалуй, последовательное включение датчиков, расположенных в этих местах, что потребует лишь одной одножильной кольцевой линии. Но при этом контакты должны быть нормально замкнуты­ми. При разрыве какого-либо из этих контактов срабатывает сигнализация. Однако информация о том, в каком месте произо­шел разрыв, отсутствует. Использование нормально разомкнутых контактов требует по меньшей мере одного двухжильного про­водника. Но и в этом случае неизвестно, в каком месте сработал контакт. Достоинством обоих вариантов является простота их реа­лизации. Схематически они представлены на рис. 4.43. По сравне­нию с устройствами сигнализации об ограблении условия эксплу­атации описываемых здесь устройств менее критичны: их можно не рассчитывать на «варварство». Благодаря этому отпадает необходимость, например, в установке проволочной перемычки, которая замыкает цепь в случае самопроизвольного размыкания контакта (о чем можно получить сигнал, например, за счет изме­нения сопротивления при установке в цепи этой перемычки ре­зистора определенного сопротивления).

Сигнальное устрой­ство с большим числом контактов удобно ре­ализовать на базе циф­ровых микросхем. При этом несколько кон­тактов могут объеди­няться в одну группу и подаваться на входы одной микросхемы. Однако эту возмож­ность лучше оставить для самых квалифицированных любителей, так как проводники большой длины, ве­дущие к цифровым микросхемам, легко приводят к ложным сра­батываниям, что требует проведения таких мероприятий, которые, например, предусмотрены на рис. 4.40 (при использовании нор­мально разомкнутых контактов емкость конденсаторов должна быть довольно большой, чтобы импульс тока их зарядки не приво­дил бы к залипанию контактов; здесь целесообразно ставить лакопленочные конденсаторы емкостью 1 мкФ).

В соответствии с принципом действия логической схемы И-НЕ при подаче на ее входы потенциалов уровня Н через них текут очень малые токи, что позволяет собрать на базе такой схемы сигнализирующее устройство на лампах (рис. 4.44), лампы могут быть рассчитаны на напряжение 6 В и ток 0,05 А, вместо них можно поставить светодиоды (с балластными резисторами). Емкость конденсатора С составляет 0,01 мкФ. При срабатывании какого-либо контакта происходит короткое замыкание соответствующего входа микросхемы, благодаря чему загорается лампа, включен­ная между этим входом и плюсовым проводом. На выходе логиче­ский уровень L сменяется уровнем Н. Эта смена сигнала на вы­ходе может быть использована непосредственно (для управления входом n-р-n транзистора) или после инвертирования (для управ­ления работой генератора, описанного в разделе 4.4.3). Оба этих варианта пояснены на рис. 4.45. Преимуществом этого простого устройства сигнализации является то, что, с одной стороны, замы­кание любого из контактов приводит к запуску сигнала тревоги и, с другой стороны, загорание соответствующей лампы (или ламп) позволяет сразу же определить место срабатывания контакта. Если подача сигнала должна продолжаться только во время срабатывания контакта, пусть даже кратковременного, то возмож­но применение простейшего варианта — с R5-триггером по рис. 4.40. Его ставят сразу же за логической схемой, т. е. без удлини­тельных проводов. Такое решение объединяет относительно малую чувствительность сильно «заблокированных» входов микросхемы с возможностью хранения сигнала с помощью триггера. По этому принципу построено устройство сигнализации о состоянии двух контрольных мест, которое может быть собрано на одной микро­схеме D100 (рис. 4.46). Смена уровня L на уровень Н (при появле­нии сигнала на выходе Q за счет короткого нажатия на кнопку S, сброс которой происходит только при устранении причины подачи сигнала) может быть использована для включения генератора звуковой частоты. В схеме по рис. 4.40 микросхема с несколькими входами может быть подключена непосредственно к триггеру, что позволит с помощью верхней микросхемы производить наблю­дение за состоянием нескольких контрольных мест. Если же при кратковременном срабатывании какого-либо контакта должен «раздаваться» не только положительный сигнал, но и должна посто­янно отображаться информация о месте расположения этого контакта, каждому контрольному месту должен соответствовать свой триггер.

Еще более экономичным, чем устройство по рис. 4.46, являет­ся миниатюрное устройство, представленное на рис. 4.47. Одна микросхема D110 не только обеспечивает наблюдение за состоя­нием трех контрольных мест (с помощью нормально замкнутых контактов S1...S3), но и акустическую сигнализацию (правда, с различной громкостью звука) с помощью входящего в ее состав генератора. Однако здесь не производится запоминание сигнала тревоги, он звучит только в течение замыкания контакта. Отклю­чение контактов S выявляет сработавший контакт.

В устройстве по схеме на рис. 4.47 можно использовать интегральную микросхему К155ЛА4. к 7

Большое значение отношения сигнал/шум дает возможность использовать КМОП-микросхемы для устройств сигнализации с минимальным током в состоянии покоя. Если, например, применить нормально разомкнутые контакты, то при этом решается и проб­лема токов, текущих через контакты, тем более, если включены светоизлучающие диоды с высоким КПД. Такое устройство показа­но на рис. 4.48. Когда цепочка КМОП-микросхем находится в со­стоянии покоя, транзистор оконечного каскада закрыт (на выходе последней микросхемы — потенциал уровня L). При замыкании одного из контактов (или двух) на выходе первой микросхемы появляется уровень Н, который запускает генератор звуковой частоты, собранный на второй и третьей микросхемах. Напряже­ние низкой частоты усиливается транзисторным оконечным каска­дом. При использовании светодиодов вместо ламп накаливания необходима установка балластного резистора; при ожидаемой сигнализации одновременно с нескольких контролируемых мест такой резистор должен быть предусмотрен для каждого диода. Оптимальной для сборки этого устройства является микросхема, содержащая три элемента И-НЕ. При этом можно установить три контакта и получать информацию с помощью диодов, излу­чающих свет трех цветов: зеленого, желтого и красного. Контакты S1...S3 и в этом случае позволяют выявить сработавший контакт или отключить его. В этом устройстве также не предусмотрена возможность запоминания сигнала тревоги.

В устройстве по схеме на рис. 4.48 используется интегральная микросхема, аналогичная К176ЛА9. Транзистор может быть КТ602Б или КТ801 Б.

Все описанные варианты устройств сигнализации неполны: в них отсутствует выключатель, необходимый для случаев, когда окно или дверь должны оставаться открытыми. Простейшим является отключение сигнализатора. Можно предусмотреть и уменьшение громкости звука, который все-таки будет постоян­но напоминать, что, например, окно еще открыто.

Между вариантами «тревога в любом случае» и полным отключением возможно промежуточное решение с реле времени. Но установка реле времени в месте расположения контакта тре­бует прокладки дополнительных проводов или его автономного питания. Кроме того, такое реле необходимо устанавливать для каждого контакта, что может быть оправдано максимум при двух-трех контактах. При использовании реле времени оно «удержи­вает» устройство сигнализации от подачи сигнала до тех пор, пока само оно находится в нестабильном состоянии. При этом реле времени остается разомкнутым при включении его последо­вательно с нормально разомкнутым контактом или замкнутым при включении параллельно нормально замкнутому контакту (рис. 4.49). При большем числе контролируемых мест с первого взгляда кажется более целесообразной установка центрального выключателя, который требует только одного дополнительного провода. Но следует подумать о том, что выключение всего уст­ройства сразу не оптимально. В этом случае может оказаться, например, что в течение «пери­ода молчания» на время откры­вания двери в детской комнате откроется окно!

Относительно оригинальное решение (по сравнению, напри­мер, с дополнительно требуемым реле в реле времени — при той же самой схеме) возможно при использовании герметиче­ских контактов. При этом кон­такты удерживаются в замкну­том положении постоянным маг­нитом, закрепленным на двери или окне, и размыкаются при их открывании. Но если сработает реле времени, то несмотря на открывание двери или окна оно будет удерживать контакты замкнутыми в течение определенного време­ни. Понятно, что микровыключатель реле времени должен быть расположен на такой высоте, на которой его не может достать ребенок.

На рис. 4.50 представлены два возможных варианта реле времени, позволяющих получать задержку от нескольких секунд до нескольких минут и использовать для включения устройства сигнализации как нормально замкнутый (НЗ), так и нормально разомкнутый (HP) контакты благодаря «нейтральному» выходному сигналу реле, как это показано на рис. 4.49. Пока контакт на окне или двери замкнут на массу, для питания реле времени доста­точно одного проводника от плюсового вывода центрального блока питания. При этом если питание производится от батареи, то для реле времени, которое всегда работает лишь кратковременно, также можно предусмотреть отдельную батарею (например, с одним из рассмотренных ниже устройств контроля за ее состоя­нием). При кольцевом проводе в случае последовательного включения контактов в контролируемых местах и общем источни­ке питания необходимы, однако, два проводника. Но такая схема может быть реализована и с одним центральным реле времени, так как последовательное включение не позволяет получать сигналы одновременно с нескольких контролируемых мест.

И наконец, следует рассмотреть современный вариант устройства сигнализации, собранного на одной КМОП-микросхеме (содержащей четыре логические схемы И-НЕ, каждая из которых имеет два входа) и одном или двух транзисторах в оконечном каскаде (в зависимости от требуемой выходной мощности).

Эта схема уже была кратко описана как составная часть одного из устройств подачи вторичного телефонного вызова (раздел 4.4.3). Она позволяет довольно несложно реализовать децентра­лизованное независимое от сети устройство сигнализации с регу­лируемой задержкой срабатывания.

В варианте, представленном на рис. 4.51, на двери или окне устанавливается нормально замкнутый контакт. При этом речь может идти как о герметическом нормально замкнутом контакте, удерживаемом постоянным магнитом, так и о микровыключателе. Конденсатор задержки, включенный параллельно контакту, замкнут накоротко через резистор ограничения тока, предназна­ченный для предотвращения перегрузки импульсом тока этого конденсатора при его разрядке. Таким образом, на входе первой логической схемы имеется уровень L, на ее выходе — Н, на выходе второй схемы, следовательно, опять L, третьей — Я и четвер­той — L. Благодаря этому транзистор, подключенный к выходу последней схемы через резистор ограничения тока, заперт. При размыкании контакта происходит зарядка конденсатора с постоян­ной времени т=С R через резистор сопротивлением 100 кОм. По достижении напряжением на конденсаторе значения 1,8 В (значение, замеренное на образце) тактовый генератор, собран­ный на первой и второй логических схемах и до сих пор запертый коротко замкнутым контактом, начинает работать. В ритме этой низкой частоты подачи тактовых импульсов начинается генериро­вание звуковой частоты генератором, образованным следующими двумя схемами. Полученные в результате периодические последо­вательности колебаний звуковой частоты поступают на транзистор и далее на громкоговоритель или телефонный капсюль (потреб­ляющий малый ток и вполне достаточный по слышимости). Время задержки подачи сигнала можно менять в широких пределах (простейший вариант — вместо постоянного резистора R поста­вить потенциометр).

Таким образом, устройство, собранное по описанной схеме, дает определенное время на то, чтобы открыть и снова закрыть дверь без подачи сигнала тревоги. Однако конденсатор задержки можно включать и затем снова отключать с помощью выключателя, известного только «посвященным». Такой же результат можно получить за счет отключения резистора, включенного со стороны плюсового вывода источника питания, причем показанный на схемах штриховыми линиями резистор поддерживает на входе микросхемы потенциал массы. Но его сопротивление должно быть и достаточно велико, чтобы при указанных на схемах номи­налах элементов время задержки мало зависело от конденсатора. И наконец, можно использовать нормально замкнутый контакт и через него соединить вход обратной связи микросхемы с мас­сой. Задержка теперь произойдет только в том случае, если не­задолго перед открытием двери или окна конденсатор будет разряжен с помощью выключателя. В этом случае в цепь обрат­ной связи также вводится резистор, показанный штриховыми ли­ниями. Тактовая частота при этом несколько снижается.

Все эти схемы обеспечивают подачу сигнала тревоги до тех пор, пока контакт в контролируемом месте выведен из исходного состояния. Поэтому в них можно ввести цепочку самоудержания, как это показано на рис. 4.52. Это устройство подает на управляю­щий вход первой логической схемы потенциал уровня Н, как только импульс сигнала появляется на выходе четвертой схемы (постоянная времени задержки цепочки самоудержания состав­ляет около 10 мс). Резистор сопротивлением 1 МОм обеспечивает на входе микросхемы логический уровень L, пока контакт не срабо­тал. Перед клавишей «Выкл.», с помощью которой можно прервать процесс генерирования, также установлен резистор ограни­чения тока. В остальном схема дополнена лишь разделительным диодом, без которого вход микросхемы через замкнутый контакт сразу же замыкался на массу.