Описание работы электрической схемы охранного устройства

1. Введение.

В связи с существующей проблемой преступности возникает необходимость охраны жилых, производственных, торговых, складских и других помещений. В настоящее время данная проблема решается специализированными ведомствами и охранными агенствами, специализирующимися на всевозможных видах охраны, в том числе и на охране помещений с помощью всевозможных технических средств. В государственной структуре существует ведомство, которое специализируется на технической охране помещений – Управление вневедомственной охраны МВД РФ.

Разработкой и внедрением технических средств, обеспечивающих охрану помещений, раньше занимались специализированные цеха на предприятиях оборонного комплекса. В настоящее время, в связи с тяжёлым финансированием и реорганизацией оборонного комплекса, многие цеха и предприятия, занимавшиеся выпуском продукции данного направления, или расформированы в связи с прекращением финансирования, или перепрофилированы на выпуск другой продукции. В связи с этим стали возникать малые предприятия и фирмы, специализирующиеся на разработке и выпуске данного вида продукции, использующие наработанный ранее материал государственных конструкторских бюро, а также технические решения зарубежных разработок, используя при этом как отечественную, так и импортную элементную базу высокой интеграции.

Вследствие специфичности данного рынка продукции, фирм, занимающихся вышеуказанным направлением деятельности очень немного, поэтому рынок данной продукции монополизирован этими фирмами и малыми предприятиями, вследствие чего они диктуют определённый уровень цен, который довольно велик для рядового пользователя. Если предприятия, фирмы и частные лица с достатком не ниже среднего могут себе позволить услуги вневедомственной охраны, то частным лицам с существенно меньшим достатком  такие услуги практически недоступны, хотя необходимость в технической охране частного жилья периодически возникает практически у всех рядовых жильцов (отъезд в отпуск, на дачу, командировка, нахождение на лечении и т.п.).

Поэтому, анализируя в радиотехнической прессе простые технические решения и разработки и применяя современную несложную элементную базу (несложную – имеется в виду, что без применения заказных БИС, микроконтроллеров и микропроцессорных комплектов) можно спроектировать и наладить производство (даже небольшими партиями на базе малого предприятия) несложного цифрового блока – узла контроля охранных датчиков, совмещённого со схемой кнопочного телефона-трубки, с минимальным набором функций, достаточными для обеспечения охраны  любых помещений небольшой площади. Данный проект позволяет внедрить в производство прибор, максимально упрощенный функционально и аппаратно, вполне доступный по цене широкому кругу потребителей.

1.1  Обзор литературы.

В периодических научно-популярных изданиях, а также в многочисленной радиолюбительской литературе периодически освещаются вопросы технической охраны квартир, офисов, складов и многих других жизненно важных объектов. В то же время выбор подходящей системы охраны ограничен. Многие системы охраны имеют свои плюсы и минусы. Из числа известных отечественных устройств чаще всего применяются два варианта: милицейская телефонная пультовая система и система типа «датчик + сирена + потайной выключатель». Первая из них непригодна для спаренного телефона, и кроме того, она конфликтует с автоответчиками и факсами. Недостаток второй системы очевиден – опытный злоумышленник может легко расшифровать алгоритм её работы.

Например, в журнале «Радио» №2 за 1995 год описывается телефонная охранная система «Страж-2», предназначенная для охраны и контроля телефонизированных объектов. Главные преимущества устройства – небольшие массогабариты, универсальное питание, неплохая функциональность. Но есть и недостатки, главный из которых – использование заказной СБИС, представляющей собой микропроцессор с масочным ПЗУ, что значительно удорожает конструкцию прибора.

Можно обратиться к официальным поставщикам охранного оборудования для служб вневедомственной охраны, например научно-техническая фирма «C.NORD» предлагает в своём официальном каталоге многочисленное оборудование для охраны, взаимодействующее в основном с центральным пультом отделения вневедомственной охраны. Есть в каталоге фирмы и универсальное устройство – DLR-100, работающее как на пульт, так и оповещающее выбранного абонента по телефонной линии и радиоканалу. Данное устройство очень универсально, имеет множество пользовательских функций, различных вариантов работы, зарезервировано по питанию, но также не лишено недостатков. Ввиду очень большой функциональности, реализованной на сложной импортной элементной базе вырисовываются следующие недостатки – избыточная усложнённость, необязательная для частого и кратковременного применения, а также, в связи с этим же – довольно большие для данного вида устройства массогабариты и энергопотребление и, соответственно, высокая цена изделия.

Также ещё в некоторых справочниках и изданиях для радиолюбителей (А.И.Кизлюк. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов. М: «Антелком», 1998;  И.Н.Балахничев, А.В.Дрик. Практическая телефония. М: «ДМК», 1999 и др.) предлагается реализовать режим охраны помещений используя приставки автоматического определения номера, но и в данном предложении есть свои недостатки – не все версии АОНов это позволяют и не все АТС оборудованы автоматическим определением номера.

Таким образом, рассмотренные литературные источники позволяют сделать вывод, что описанные охранные устройства ввиду большого набора функций и используемой сложной элементной базы имеют высокую стоимость, что является причиной их ограниченного использования рядовым потребителем.

Проектируемое устройство свободно от изложенных выше недостатков, так как в нём использована несложная и недорогая элементная база, сокращён набор дополнительных функций, что существенно не оказывает влияния на его потребительские свойства.

2. Выбор и обоснование принципиального решения.

2.1. Краткий обзор существующих схемотехнологий, применяемых в интегральных схемах.

Рассмотрим  наиболее  распространенные  схемотехнологии  применяемые  в  интегральных  схемах:

1.                   Транзисторно-транзисторная  логика  (ТТЛ).

2.                   Эмиттерно-связанная  логика  (ЭСЛ).

3.                   Логика,  построенная  на  основе  структуры  метал-диэлетрик-полупроводник  с  п-каналом  (пМДП).

4.                    Логика,  построенная  на  основе  структуры  метал-диэлетрик-полупроводник  с  транзисторами  разной  проводимости  (КМДП).

2.1.1. ТЕХНОЛОГИЯ  ТТЛ.

 Технология  ТТЛ  основана  на  биполярных  структурах.  Базовый  элемент  ТТЛ  представляет  собой  схему,  содержащую  один  многоэмиттерный  транзистор  и  один  обычный  (см.  рис.  2.1),  это  логическая  схема     И-НЕ  (функцию  И  выполняет  транзистор  VT1,  а  функцию  инверсии  выполняет  транзистор  VT2).

Рис.  2.1.  Базовый  элемент  ТТЛ.

Подобная  схема  обладает  низкой  помехоустойчивостью  и  низким  быстродействием,  быстродействие  можно  увеличить,  используя  сложный  инвертор,  который  позволяет  сократить  время  включения  (переход  из  логического  «0»  в  логическую  «1»);  но  время  выключения   (переход  из  логической  «1»  в  логический  «0»)  сократить,  не  удается.

Более  высокое  быстродействие  позволяют  получить  схемы  субсемейства  ТТЛШ  (транзисторно-транзисторная  логика  с  использованием  транзисторов  с  барьером  Шотки;  см.  рисунок  2.2).  В  таких  схемах  барьер  Шотки  создает  нелинейную  обратную  связь  в  транзисторе,  в  результате  транзисторы  не  входят  в  режим  насыщения,  хотя  и  близки  к  этому  режиму.  Следовательно,  практически  исключается  время  рассасывания,  что  позволяет существенно  увеличить  быстродействие. 

Рис.  2.2.  Транзистор  Шотки.

2.1.2. ТЕХНОЛОГИЯ  ЭСЛ.

Технология  ЭСЛ  является  так  же,  как  и  технология  ТТЛ,  биполярной, 

т.е.  элементы  строятся  с  использованием  биполярных  структур.  Основой  элементов  ЭСЛ  является  так  называемый  «переключатель  тока»,  на  основе  которого  строится  базовый  элемент  этой  технологии  -  ИЛИ-  -НЕ  (см.  рис.2.3);   по  выходу1  данной  схемы  реализуется  логическая  функция  ИЛИ-НЕ,  а  по  выходу2  -  ИЛИ.

Рис.  2.3.  Базовый  элемент  ЭСЛ.

Из-за  низкого  входного  сопротивления  схемы  ЭСЛ  обладают  высоким  быстродействием  и  работают  преимущественно  в  активном  режиме,  следовательно,  помеха  попавшая  на  вход  усиливается.  Для  повышения  помехоустойчивости  шину  коллекторного  питания  делают  очень  толстой  и  соединяют  с  общей  шиной.

По  сравнению  со  схемами  ТТЛ  схемы  ЭСЛ  обладают  более  высоким  быстродействием,  но  помехоустойчивость  у  них  гораздо  ниже.  Схемы  ЭСЛ  занимают  большую  площадь  на  кристалле,  потребляют  большую  мощность  в  статическом  состоянии,  так  как  выходные  транзисторы  открыты  и  через  них  протекает  большой  ток.  Схемы,  построенные  по  данной  технологии  не  совместимы  со  схемами,  построенными  по  другим  технологиям,  использующим  источники  положительного  напряжения.

2.1.3. ТЕХНОЛОГИЯ  пМДП.

В  отличие  от  технологий,  рассмотренных  выше,  технология  пМДП  основана  на  МДП - структурах,  которые  обеспечивают  следующие  преимущества  по  сравнению  с  биполярными:

1.       Входная  цепь  (цепь  затвора)  в  статическом  режиме  практически  не  потребляет  тока  (высокое  входное  сопротивление);

2.       Простая  технология  производства  и  меньшая  занимаемая  площадь  на  кристалле.

Основными  логическими  схемами  изготавливаемыми  на  основе  пМДП  являются  схема  ИЛИ-НЕ  и  И-НЕ  (см.  рис.  2.4  и  рис.  2.5).

Рис.  2.4.  Схема  ИЛИ-НЕ.

Рис.  2.5.  Схема  И-НЕ.

К  недостаткам  этих  схем  можно  отнести  невысокое  быстродействие,  по  сравнению  со  схемами  ТТЛШ  и  ЭСЛ.  Но  в  настоящее  время  благодаря  применению  новых  технологий  (окисная  изоляция,  использование  поликремневых  затворов,  технология  «кремний  на  сапфире»)  создаются  быстродействующие  МДП  структуры.

2.1.4. ТЕХНОЛОГИЯ  КМДП.

Следующим  шагом  развития  МДП  технологии  стало  использование  комплементарных  МДП  транзисторов,  т.е.  транзисторов  с  разным  типом  проводимости,  причем  основными  являются  транзисторы  п-типа;  а  транзисторы  р-типа  используются  в  качестве  динамической  нагрузки.

Использование  КМДП-схем   по  сравнению  со  схемами  пМДП   позволяет  снизить  потребляемую  мощность,  повысить  быстродействие  и  помехоустойчивость,  однако  это  достигается  за  счет  увеличения  площади занимаемой  на  кристалле  и  усложнения  технологии  производства.

Базовыми  элементами  КМДП-схем  являются,  как  и  для  пМДП,  логические  элементы  ИЛИ-НЕ  и  И-НЕ  (см  рис. 2.6  и  2.7).

Рис. 2.6. Схема  ИЛИ-НЕ.

Рис.  2.7.  Схема  И-НЕ.

К  особенностям  интегральных  схем,  построенных  по  технологии  КМДП  можно  отнести  следующее:

1.      Чувствительность  к  статическому  электричеству  (для  защиты  в  буферные  каскады  ставятся  диоды);

Тиристорный  эффект  (в  КМДП  структурах  образуются  паразитные  биполярные,  подобные  тиристору,  структуры  между  шинами  питания).  При  включении  питания  тиристор  включается  и  замыкает  шину  «+»  на  общую  шину  (для  защиты  используется  окисная  изоляция).

2.2. Выбор и обоснование логических элементов устройства.

Для функционирования блоков управления и коммутации необходимы цифровые ИМС малой и средней степени интеграции.

          ИМС логики структуры ТТЛ являются наиболее разработанной и массовой серией и обладают наиболее широким спектром применения для проектирования цифровых устройств (серии К155, 555, 532, 1533).

          Микросхемы серии ЭСЛ (К500, К1000 и т.д.) являются наиболее перспективной серией, поскольку обладают самым высоким быстродействием.

          Логические элементы структуры КМДП (серии К176, К561 и т.д.) имеют меньшее быстродействие и нагрузочную способность по сравнению с ТТЛ и ЭСЛ, однако ИМС этой серии обладают двумя очень важными достоинствами перед ТТЛ и ЭСЛ:

-         ничтожная потребляемая мощность в статическом режиме (Рпот.=10-6Вт);

-         очень высокая помехоустойчивость к наводкам по сети питания и помехам в сигнальной цепи (допустимый уровень помех – до 30% напряжения питания).

Поэтому мы выбираем ИМС структуры КМДП серий К176 и К561.

2.3. Выбор и обоснование аналоговых ЭРЭ.

          Аналоговые элементы – транзисторные ключи, диоды и стабилитроны – выбираем конкретно для каждого узла при детальном проектировании функциональных узлов. Ввиду того, что планируемое энергопотребление проектируемого устройства невелико, а массогабаритные показатели ограничены размерами телефона-трубки, выберем аналоговые элементы, имеющие наиболее малые размеры, но обладающие достаточным запасом по мощности для данного устройства.

          В качестве аналоговых микросхем применяемых в устройстве используем широко распространённые универсальные микросхемы для телефонных аппаратов отечественного производства :

-         в качестве импульсного номеронабирателя – КР1008ВЖ10;

-         в качестве вызывного устройства – КР1064ПП1

2.4. Выбор и обоснование пассивных элементов.

          При выборе пассивных элементов электрической цепи: резисторов, конденсаторов и так далее, будем руководствоваться, в основном, принципом максимальной миниатюризации, так как для проектируемого устройства не требуется резервирования по мощности пассивных элементов, ввиду очень небольших токов и напряжений в схеме.

2.5. Схемотехнические требования при разработке принципиальной схемы.

          Для обеспечения комплексной надежности устройства необходимо стремиться к уменьшению:

-         количества ЭРЭ и электрических связей;

-         коэффициента нагрузки активных элементов.

3. Построение функциональной схемы блока оповещения.

          Функциональная схема блока оповещения состоит из следующих основных узлов:

-         узел датчика, представляющий собой RS-триггер;

-         узел счёта  и выбора выходных сигналов, выделяемых микросхемой-счётчиком секундных и минутных импульсов (сигнал включения ключа поднятия трубки, сигнал имитации нажатия клавиши «повтор», сигнал звукового оповещения);

-         электронные ключи поднятия трубки и нажатия клавиши «повтор» на биполярных транзисторах, управляемые соответствующими сигналами узла счёта и выбора выходных сигналов;

-         стандартная схема телефона трубки на интегральной микросхеме номеронабирателя с выходом импульсного ключа с открытым стоком и микросхеме вызывного узла с выходом на пьезоэлектрический излучатель.

Также в состав схемы телефона трубки входит наборное поле телефонной клавиатуры и микрофон с динамическим излучателем.

4. Разработка принципиальной схемы и электрический расчёт.

4.1. Выбор элементной базы охранного устройства.

            Для построения электрической принципиальной схемы охранного устройства необходимо выбрать элементную базу. Как указывалось выше, логические элементы устройства решено взять на основе ИМС структуры КМДП серий К176 и К561.

            Узел датчика (RS-триггер) выполним на логических элементах ИМС К561ЛЕ5.

            В качестве основной ИМС узла счёта и выбора выходных сигналов возьмём ИМС для построения электронных часов К176ИЕ18, ввиду очень удобного использования для задания временных интервалов счётчика минутных и секундных импульсов. Данная микросхема также имеет выходы звуковых сигналов, которые удобно использовать для оповещения абонента по телефонной линии.

            Также, для задания выбранных временных интервалов подсчёта количества дозвонов до абонента и интервалов между дозвонами, выбираем в качестве десятичного счётчика-делителя ИМС К561ИЕ8.

            Как указывалось выше, в качестве аналоговых микросхем телефона-трубки выбираем ИМС отечественного производства – импульсный номеронабиратель КР1008ВЖ10 и вызывное устройство на КР1064ПП1.

            В качестве ключевых элементов выбираем транзисторы КТ502Е и КТ503Е, очень хорошо зарекомендовавшие себя в схемах телефонов.

            Пассивные элементы в данном устройстве не требуют повышенной точности номиналов, поэтому резисторы и конденсаторы выбираем исходя из стандартного ряда.

            Полупроводниковые диоды выбираем КД102Б, как наиболее подходящие по размерам и электрическим параметрам.

4.2. Справочные данные.

4.2.1. Микросхема К176ИЕ18.

            ИМС К176ИЕ18 предназначена для использования в электронных часах. В её состав входят кварцевый генератор с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц и два делителя частоты: СТ2 на 32768 и СТ60 на 60. При подключении к микросхеме кварцевого резонатора, она обеспечивает получение частот 32768, 1024, 128, 2, 1, 1/60 Гц. Импульсы с частотой 128 Гц формируются на выходах микросхемы Т1-Т4 с открытым стоком (выходной ток по выходам – 12 мА), их скважность равна 32/7 (для обеспечения надёжного запирания вакуумных люминесцентных индикаторов по их сеткам), сдвинуты они между собой на четверть периода. Эти импульсы предназначены для коммутации знакомест индикатора часов при динамической индикации. Импульсы с частотой 1/60 Гц подаются на счётчик минут, импульсы с частотой 1 Гц могут использоваться для подачи на счётчик секунд. Частота 1024 Гц предназначена для звукового сигнала будильника и для опроса разрядов счётчиков при динамической индикации. Вход Q микросхемы используется для изменения яркости индикатора, при подаче на него логической 1 можно в 3,5 раза увеличить скважность импульсов на выходах Т1-Т4 и во столько же раз уменьшить яркость свечения индикатора. Также в микросхеме имеется специальный формирователь звукового сигнала. При подаче импульса положительной полярности на вход HS, на выходе HS появляются пачки импульсов отрицательной полярности с частотой 2048 Гц и скважностью 2. Длительность пачек – 0,5 с, период повторения – 1 с. Выход HS выполнен с открытым стоком. Сигнал присутствует на выходе HS до окончания очередного минутного импульса на выходе M микросхемы.

            Напряжение питания микросхемы – от 3 до 15 В.

 

HS                            HS                                         M                                   S1 Q                             S2                                   T1                                   T2                                 T3   R                              T4                                    F         Z                              Z 1 2 3 4 5 6