ИК генератор «электронного пароля» с шифратором

На рис. 45 приведена принципиальная схема генератора, формирующего подобным образом последовательность инфракрасных вспышек.

Здесь DD1.1, DD1.2, Rl, ZQ1 - задающий генератор, работающий на частоте часового кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц. Микросхемы DD4 и DD5 составляют электронный коммутатор, его выход (объединенные выводы 3 DD4 и DD5) оказывается соединенным с одним из Х-входов этих микросхем в зависимости от адреса, поступающего на входы 1, 2,4, и сигнала на входе S (активизируется микросхема с S=0). Адрес и сигнал S формирует счетчик DD3. Легко вычислить, что смена адреса будет происходить здесь каждые 0,976 мс ((2^5)/32768 с), это tзн - длительность знакоместа в кодовой посылке В середине каждого знакоместа может быть сформирован короткий (R4C2@10 мкс) импульс на выходе DD1.4. Но это произойдет лишь в том случае, если данному знакоместу будет соответствовать сигнал 1 на выходе коммутатора. Этот импульс откроет нормально запертый транзисторный усилитель (VT1, VT2 и др.) и ток, возникший в ИК диоде BI1, преобразуется в ИК вспышку той же длительности.

Рис. 45. ИК генератор «электронного пароля»

Генерация кодовой последовательности начинается (SA1 включен, кнопка SB1 нажата) с формирования короткого импульса на входе R счетчика DD3 (tr@R3·C1), устанавливающего его в исходное, нулевое состояние, и заканчивается с появлением сигнала 1 на выходе 29(вьIB. 14) DD3. Знакоместа - их, очевидно, 16 - следуют во времени в соответствии нумерацией (по стрелкам) Х-входов электронных коммутаторов: 1, 2,..., 14, 15 (нулевому знакоместу всегда соответствует 1; это стартовый импульс пакета, не входящий, конечно, в число кодообразующих). Общая продолжительность кодовой посылки составит таким образом 0,976x15@14,6 мс.

Нужное число-код формируют, так или иначе коммутируя Х-входы микросхем DD4, DD5: соединяя i-ую стрелку с «+» источника питания, если в i-том разряде кода должна быть 1 (X1 DD4, формирующий стартовый импульс пакета , уже соединен с +Uп, или с «землей», если должен быть 0.
Так, например, для генерации кода 111011100111001 потребуется соединить стрелки 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 15 с «+», а стрелки 4, 8, 9,13, 14 - с «-» источника питания.

Рис. 46. Печатная плата ИК генератора «электронного пароля» Поскольку n=15, то число различных сигналов, из которых любой может быть закоммутирован в качестве кодового, составляет здесь 2^15=32768. Генератор монтируют на печатной плате, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,2...1,5 мм (рис. 46). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве общего провода (с ней соединен «-» источника питания): в местах пропуска проводников она должна иметь выборки - кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны). Места соединения с нуль-фольгой «заземляемых» выводов резисторов, конденсаторов и др. показаны черными квадратами; черными квадратами со светлой точкой в центре - «заземляемые» выводы микросхем и положение проволочной перемычки, соединяющей с нуль-фольгой «минусовой» вывод конденсатора С4. В качестве источника питания генератора можно взять 6-вольтную батарею 11 А (габариты - Ж10,3х16 мм, электрическая емкость - 33 мА·ч). Выключатель SA1 типа ПД9-1 монтируют непосредственно на корпусе генератора. Кнопка SB1, типа ПКн-159 или подобная ей,
должна иметь провод длиной 6...8 мм, достаточный для его вывода сквозь стенку корпуса.
Рис. 47. Осциллограмма кода «111011100111001» Правильно собранный генератор наладки не требует. Проконтролировать его работу можно с помощью осциллографа, подключив его вход к коллектору транзистора VT1. После включения SA1 и нажатия кнопки SB1 на экране осциллографа (время ждущей развертки 20...30 мс) должна возникнуть и исчезнуть последовательность импульсов, расставленных во времени в соответствии с закоммутированным сигналом. Если это рассмотренный выше код 111011100111001, то ему будет соответствовать осциллограмма, изображенная на рис. 47 («лишний» импульс ,в начале пакета - стартовый). По амплитуде импульсов, измеренных на резисторе R9, можно судить о токе в ИК диоде Iимп@Uимп /R9 (Iимп - в амперах, Uимп - в вольтах, R9 - в омах), а в быстрой развертке (20...50 мкс, тоже ждущей) - об их форме и длительности, которая должна быть в пределах 5...15 мкс. Двухступенчатое включение кодового излучателя - сначала выключателем SA1, а затем кнопкой SB1 - связано с особенностью самовозбуждения кварцованных генераторов, с их довольно медленным (из-за высокой добротности кварцевого резонатора) вхождением в рабочий режим.


Рис. 48. Вариант включения генератора Выключатель SA1 можно исключить, организовав питание генератора так, как показано на рис. 48. Но в таком случае кнопку SB1 потребуется нажимать дважды: первое нажатие даст, скорее всего, неверную комбинацию (которая, кстати, может быть даже полезна как маскирующая истинный код). Без выключателя SA1 можно обойтись и в том случае, если в качестве источника питания генератора будет взята низковольтная батарея достаточной емкости, способная обеспечить продолжительную его работу при постоянно включенных микросхемах. Например, литиевый элемент с ЭДС=3 В, имеющий электрическую емкость 0,1 А·ч, сможет проработать в таком режиме около года. Таблица 10

Uпит, В	Iпотр, мкА	Iимп, А
2,4	5	0,18
3,7	16	0,38
4,3	30	0,38
5,0	60	0,46
6.0	140	0,59
7,0	360	0,72

  В кодовом излучателе могут быть использованы практически любые ИК диоды, ограничения - лишь габаритные: высота деталей на печатной плате не должна превышать 8 мм. Все резисторы здесь типа МЛТ-0,125, неэлектролитические конденсаторы - КМ-5, КМ-6, К10-17Б и др. Конденсатор С4 - типа К50-35 или К50-40. Рабочее напряжение конденсатора С6 (CE-DS Магсоп, его монтируют в положении «лежа») должно соответствовать напряжению источника питания. В варианте, показанном на рис. 48, необходимо предварительно проконтролировать состояние его диэлектрика: ток утечки в С6 должен быть меньше 1 мкА. При увеличении сопротивления резистора R9, ограничивающего ток в ИК диоде, емкость конденсатора С6 может быть соответственно уменьшена. Довольно большая «дальнобойность» ИК излучателя (с R9=3,9 Ом превышающая 10 м) может оказаться просто ненужной. Кодовый генератор сохраняет свою работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений. В таблице 10 показана зависимость потребляемого им тока Iпотр и тока в ИК диоде Iимп от напряжения источника питания Uпит.

ИК генератор «визитной карточки» с шифратором

На рис. 38 приведена принципиальная схема ИК генератора, формирующего пакет, содержащий N импульсов, где NО{1,...,1023} - может быть любым в этих пределах*.

Здесь DD1.1, DD1.2, R2, С1 - управляемый мультивибратор, частота возбуждения которого f@160 кГц (f=1/2 R2·C1); DD2 - 14-разрядный двоичный счетчик; R3C2 - дифференцирующая цепочка, формирующая из спада меандра ( 1 на выходе DD1.3) короткий - 5...10 мкс - импульс, открывающий нормально закрытый транзистор VT1; VD1-VD10, R6 - шифратор (диодно-резисторный «И»), числом и размещением диодов в котором задают N;SB1 - кнопка включения излучателя.

При включении питания на входе R счетчика DD2 формируется импульс «единичной» амплитуды, устанавливающий его в исходное состояние (в этом состоянии на всех его выходах устанавливается напряжение низкого уровня), а мультивибратор, сделав семь холостых «оборотов», выходит на нормальный режим работы. Частота следования меандров на выходе 7 DD2 (четвертый разряд счетчика) F=f/2^4=10 кГц. С соответствующими интервалами - Тп@100 мкс- будут следовать друг за другом и 5...10-микросекундные ИК вспышки излучателя BL1.

Рис. 38. ИК генератор «визитной карточки»

Генерация ИК вспышек продолжится до тех пор, пока на выходе шифратора - входе элемента DD1.6 - не появится напряжение высокого уровня, и, соответственно, на его выходе - напряжение низкого уровня, закрывающего мультивибратор. Число импульсов в пакете зависит от числа и «веса» диодов в шифраторе:

N=VD1+2VD2+4VD3+8VD4+16VD5+32VD6+64VD7+128VD8+256VD9 +512VD10, где: VDi=l, если диод VDi установлен в шифратор, и VDi=0, если его нет. Так как N =1023 и Тп=10^4 с, то длительность пакета не превысит, очевидно, 0,11 с.

Амплитуда импульса тока в самом излучателе - в ИК диоде BL1 - зависит от напряжения питания генератора Uп и сопротивления резистора R7: Iи=(Uп-2,5)/R7 (Iи - в амперах, Uпит - в вольтах, R7 - в омах). Здесь, очевидно, Iи@0,07 А.

Однако нет особой необходимости строго следовать указанным номиналам и типам элементов, составляющих генератор.
В качестве VT1 может быть взят практически любой n-p-n транзистор с h21э>100 и Iк max>100 мА, а излучателем BL1 могут служить ИК диоды типа АЛ115А, АЛ118А, АЛ119Б, АЛ147А и др. (см. приложение 3). В качестве кнопки SB1 можно воспользоваться каким-либо микропереключателем из перечисленных в приложении 1.

Рис. 39. Печатная плата ИК генератора «визитной карточки» Особое внимание необходимо уделить постоянно подключенному к источнику питания конденсатору С5, поскольку при неудачном выборе он может оказаться здесь основным энергопотребителем. Если ИК генератор имеет небольшие размеры и питается, соответственно, от источника небольшой емкости, то ток утечки в конденсаторе С5 Ic5<1мкА. При небольших N конденсатор С5 может иметь меньшую емкость (и меньший, соответственно, Ic5). В первом приближении можно принять C5(мкФ)»N. Печатную плату генератора изготавливают из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной ~1,5 мм (рис. 39). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевого провода, для пропуска проводников она имеет выборки-кружки диаметром 1.5...2 мм (на рисунке не показаны). В качестве источника питания ИК генератора можно взять алкалиновую батарею типа 11А (Ж10,3х16 мм, Uп=6 В, Е=33 мА·ч). Заметим, что в подобного рода приборах не так-важна электрическая емкость источника питания, как его саморазряд, физическая сохранность. Лучшие из нынешних батарей - литиевые - сохраняют свою работоспособность до 10 лет. *) Запись NО{A} означает, что элемент N принадлежит множеству {А}, т.е. может быть одним из перечисленных в нем элементов.

ИК линия связи в охранной системе

Большие помехи в радиоэфире, легкость обнаружения переданного по радио и последующей его имитации, административно-финансовые препятствия, созданные перед каждым желающим воспользоваться радиоканалом в своей охранной системе (ОС)*, заставляют искать здесь какие-то иные средства связи. С появлением полупроводниковых излучателей, способных генерировать мощные ИК вспышки, и фотодиодов с встроенной оптикой инфракрасный диапазон стал представлять интерес и в этом отношении.

В линии связи, работающей в системе охранной сигнализации, должны, очевидно, по-разному представляться три возможные ситуации: а) на охраняемом объекте нарушений нет; б) объект передает сигнал тревоги; в) «обрыв» в канале связи.

*) В России передачу сигналов охранных систем по радио разрешено вести лишь в двух частотных каналах (см. с. 10). Это - для всех нас. Напомним, что в особом состоянии ионосферы, на так называемом «проходе», помеху, блокирующую радиоканал, может вызвать не только сигнал соседа, находящегося «лишь» в 5...10 км, но и радиопередатчик, удаленный на 1.5...2 тысячи километров.

ИК приемник «электронного пароля» с дешифратором

Принципиальная схема устройства, принимающего кодированный ИК сигнал брелка-генератора, показана на рис. 49.

Микросхема DA1, представляющая собой фотоусилитель, преобразует импульсы тока в фотодиоде BL1, возбуждаемые ИК вспышками брелка-излучателя, в импульсы напряжения, пригодные для прямого их введения в цифровой анализатор. На рис. 50, а показана импульсная последовательность на выходе фотоусилителя, соответствующая коду 111011100111001, который мы здесь и ниже будем рассматривать в качестве примера.

В приемнике два формирователя. Один из них, выполненный на элементах DD1.1 и DD3.1, расширяет каждый из поступающих импульсов (напомним: их длительность - около 10 мкс) до tф1@R3·C5@0,6...0,8 мс (должно быть выполнено условие: 0,5·tзн<tф1<tзн где tзн=0,976 мс - длительность знакоместа в кодированном сигнале; см. рис. 50, а, б). А второй, собранный на элементах DD1.2 и DD3.3, формирует импульс длительностью tф2@R4·C6=30...50 мс (должно быть: tф2 >16 tзн; см. рис. 50, г). По фронту этого импульса на выходе элемента DD3.5 формируется короткий импульс (tr @R5·C7@10 мкс), устанавливающий сдвигающий регистр DD4-DD5 и счетчик DD6 в нулевое состояние (рис. 50, д).

Элементы DD1.3, DD1.4, R7, ZQ1 образуют задающий генератор, работающий на частоте кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц (задающий генератор ИК излучателя, напомним, работает на этой же частоте).

Принимаемый сигнал (или помеха) фиксируется в сдвигающем регистре DD4-DD5 следующим образом. Фронтом первой же ИК вспышки все запоминающие элементы устройства переключаются

Рис. 49. ИК приемник «электронного пароля»

Рис. 50. Эпюры сигналов для кода «111011100111001»

в нулевое состояние (на выходах микросхем DD4-DD6 устанавливаются нули) и счетчик DD6 начинает счет. Примерно через 0,5 мс (tзн/2) нуль на выходе 2^4 (выв. 5) счетчика DD6 будет замещен единицей. В сдвигающем регистре К561ИР2 изменение напряжения на входе С вида J приводит к перемещению хранящегося в нем числа на один разряд в сторону старших (на рис. 49 - вниз), а в младший разряд регистра DD4 будет вписано то значение, которое в этот момент окажется на его входе D (выв. 7).
Это может быть и 1 - расширенный до tф1 «единичный» импульс, и 0 - если ИК вспышка в этом знакоместе кодовой посылки отсутствовала. Следующий сдвиг числа произойдет через tзн=0,976 мс - «шаг», который сохранится в дальнейшем. Система сделает лишь 16 поразрядных сдвигов (сдвигающие импульсы, генерируемые счетчиком DD6, показаны на рис. 50, в) - с появлением единицы на выходе 29 счетчика DD6 и, соответственно, нуля на входе DD2.2 (выв. 9), счетчик самозаблокируется и останется в этом состоянии до очередного старта системы. Таким образом принятая последовательность И К вспышек преобразуется в число, хранящееся в регистре DD4-DD5. Остается выяснить - является ли оно кодовым. Осуществляется это диодно-резисторным дешифратором Д1, схему которого (для того же кода 111011100111001) иллюстрирует рис. 51. Идея дешифрации проста. Все выходы регистра, на которых в соответствии с кодовой комбинацией должна быть единица, подключают к входам диодно-резисторного конъюнктора (VD1,VD4- VD6, VD9-VD11, VD13-VD15, R1), а выходы, на которых должен

Рис. 51. Дешифратор для кода «111011100111001» быть нуль, — к входам диоднорезисторного дизъюнктора (VD2, VD3, VD7, VD8, VD12, R2). Если в регистре зафиксировано число- код, то на выходе конъюнктора установится напряжение высокого уровня - 1, а Выходе диэъюнктора - низкого - 0. И только в этом случае на выходе ИК приемника возникнет сигнал 1. Это «единичное» его состояние продержится до тех пор, пока не будет нажата кнопка SB1 «Сброс» (параллельно ей может быть включено несколько кнопок такого же назначения) или по каналу не пройдет какой-либо посторонний сигнал*. Приемник смонтирован на плате размером 83х54 мм, выполненной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 52). Технология изготовления платы и приемы монтажа деталей на ней те же, что и при изготовлении платы брелка-генератора. Особое внимание при монтаже приемника следует обратить на электрическую экранировку фотоголовки (BL1, DA1 и др.): обладая высокой чувствительностью и значительной широкополосностью, она подвержена воздействию электрических сигналов самого разного происхождения.


Экран можно изготовить из жести, его раскрой показан на рис. 53: по штриховым линиям сгибают коробку, пропаивают ее в углах, выравнивают низ и установив так, как показано штрих-пунктиром на рис. 52, припаивают в двух-трех точках к нуль-фольге. При необходимости усиление фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход микросхемы DA1 резистором сопротивлением R1=0,3...З МОм.   Рис. 52. Печатная плата ИК приемника «электронного пароля»
Все резисторы в приемнике - типа МЛТ-0,125. Габариты конденсаторов С4 и С10 - Ж8х12 мм. Конденсатор С2 - типа К53-30, остальные - КМ-6, К10-176 и КД. Габариты кварцевого резонатора - Ж2х6 мм. На плате выделено место для размещения элементов описанного выше (см. рис. 43, а) звукового генератора. На рис. 52 оно оконтурено штрих-пунктиром. Необходимо принять меры по ослаблению засветки фотодиода посторонними источниками света, способными существенно
Рис. 53. Выкройка экрана фотоусилителя уменьшить чувствительность фотоприемника. Фотодиод можно поместить в «колодец», склеенный из черного полистирола, который защитит его от воздействия источников, расположенных в стороне от оптической оси. К тому же образующийся невидимый «коридор», в пределах которого только и будет возможен оптический контакт приемника с брелком-излучателем, умножит и без того немалые трудности информационного «взлома» системы. Окно фотодиода полезно заклеить пленкой, ослабляющей по преимуществу видимый свет. Тем более, что расстояние, на котором приемник способен обнаружить и дешифровать ИК вспышки брелка, в не слишком плохих условиях превышает 10 м. В чем, чаще всего, нет никакой необходимости. К выходу приемника (выв. 12 элемента DD3.6) могут быть подключены самые разные сигнальные устройства. Например, светодиод, показанный на рис. 49 штриховым контуром, или звуковой генератор, оповещающие о появлении «своего». Но если по сигналу приемника охранная система должна принять решение самостоятельно (включить, например, привод электрозамка), то в электронный ключ, управляющий исполнительным механизмом (ИМ), нужно ввести задержку.


Так, например, как это показано на рис. 54. Запаздывание включения ИМ зависит здесь от постоянной времени R2C1 и может составить несколько десятых долей секунды. Длительность задержки увеличится еще, если в эмиттерную цепь транзистора VT1 включить диод VD3, рассчитанный на рабочий ток ИМ, например, КД213А. Напряжение питания ИМ, с учетом возникающих при его выключении экстранапряжений (диод VD2 при индуктивных нагрузках обязателен), не должно превышать максимально допустимого для транзистора VT1 (60 В - для КТ972А, 45 В - для КТ972Б). Рабочий ток исполнительного механизма не должен превышать здесь 2 А.
Рис. 54. Электронный ключ с задержкой Задержка срабатывания исполнительного механизма - эффективное средство в борьбе с попытками выяснить подбором задействованный в системе код. В принятой здесь системе кодирования даже секундная задержка заставит злоумышленника простоять у чужих дверей не один час. И это - при наличии у него соответствующей аппаратуры, знания принципов кодирования и время-импульсных характеристик ИК излучения. «Подсмотреть» же работу ИК брелкагенератора, не войдя в визуальный контакт с его владельцем, несравненно сложнее, нежели это допускают кодовые генераторы, работающие в радиодиапазоне. Приемник сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 4 В, потребляемый им ток не превышает 1,4 мА. *) Заметим, что дешифратору безразлично состоянием старшего разряда регистра DD5, поскольку по окончании записи на его выв. 2 обязательно окажется 1 - стартовый бит кодовой комбинации или первый бит помехи.

ИК приемник на микросхеме

Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов на специально для этой цели разработанной микросхеме показана на рис. 37.

Выход этого фотоприемника также может быть соединен с входами цифровых КМОП-микросхем напрямую. Но хотя его выходное сопротивление меньше, чем у описанного выше транзисторного, при большой длине линии, связывающей фотоприемник с электронным анализатором сигналов, его также нужно дополнить буферным усилителем (см. рис. 36, а, б). Емкость линии связи в этом случае может доходить до 0,01 мкФ.

Фотодиод ФД320 можно заменить на ФД263-01, а если в фотоприемнике есть линза-концентратор - практически любым фотодиодом из приложения 2.

Рис. 37. ИК приемник на микросхеме

Таблица 8

Uпит,B	Iпотр, мА
4,5	0,84
5,0	1,00
6,0	1,30
7,0	1,55
8,0	1,90
9,0	2,90

 

Усиление фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход усилителя резистором сопротивлением 0,3...3 МОм.

В таблице 8 приведена зависимость тока Iпотр , потребляемого фотоголовкой, от напряжения источника питания Uпит.

ИК приемник на транзисторах

Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов показана на рис. 35. Его выход может быть подключен ко входу цифровой КМОП-микросхемы непосредственно. Если фотоголовка должна быть удалена от цифрового анализатора, а емкость соединяющего их кабеля превысит 100...200 пФ, фотоусилитель потребуется дополнить буферным усилителем. Таким, например, как на рис. 36, а (усилитель-инвертор) или на рис. 36, б. Емкостная нагрузка фотоголовки с таким усилителем на выходе может быть увеличена до 0,01 мкФ.

Рис. 35. ИК приемник на транзисторах

Рис. 36. Усилители мощности в КМОП-технике

Таблица 7

Uпит,B	Iпотр,мA
4,5	0,30
5,0	0,30
6,0	0,32
7,0	0,34
8,0	0,35
9,0	0,37

 

Фотодиод ФД263-01 можно заменить на ФД320. А при наличии хорошего оптического концентратора - почти на любой из указанных в приложении 2.

ИК приемник сохраняет работоспособность при изменении напряжения источника питания Uпит в широких пределах. Зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения питания показана в таблице 7.

ИК приемник «визитной карточки» с дешифратором

Принципиальная схема приемника «визитной карточки» приведена на рис. 40. Здесь DA1 - микросхема, преобразующая импульс тока, возникающий в фотодиоде VDI под воздействием ИК вспышки, в импульс напряжения, амплитуда которого достаточна для непосредственного управления КМОП-микросхемами (рис. 41, а). На элементах DD1.1 и DD1.2 собран одновибратор, преобразующий короткий импульс, соответствующий длительности ИК вспышки*, в импульс длительностью tф=50 мкс (tф@1/2 tп, где tп - период следования ИК вспышек в кодовой посылке (рис. 41, б)). На элементах DD1.3, DD2.3-DD2.5 собрано устройство, формирующее импульс на входе R счетчика DD3 (рис. 41, г), которым он переводится в нулевое состояние по фронту первой же ИК вспышки, и временной

Рис. 40. ИК приемник «визитной карточки»

Рис. 41. Эпюры сигналов в ИК приемнике

интервал Тпр (рис. 41, в), в пределах которого счетчик DD3 может беспрепятственно вести подсчет импульсов (по их спаду), поступающих на его вход С.

Дешифрация кодовой посылки, выяснение того, содержит ли она Nкод - кодовое число импульсов, возлагается на дешифратор Д1. В качестве примера, демонстрирующего его структуру, на рис. 42, а приведена конфигурация Д1 для Nкод=284. Поскольку «вес» выхода Qi в DD3 равен 2^(i-1), то в двоичной записи Nкод=000100011100 (2^(3-1)+ +2^(4-1)+2^(5-1)+2(9-1)=4+8+16+256=284). Дешифратор состоит из 4-входового конъюнктора** (Rl, VD3-VD5, VD9), входы которого

Рис. 42. Дешифратор для Nкод=284

подключены ко всем Qi=1, и 8-входового дизъюнктора (R2, VD1, VD2, VD6-VD8, VD10, VD12), входы которого подключены ко всем Qj=0. Легко видеть, что напряжение высокого уровня (лог.1) возникнет и сохранится на выходе DD1.4 (см. рис. 41, д) лишь в случае, если в счетчике DD3 будет зафиксирован Nкод, в любом другом оно так или иначе будет сведено к нулю. На рис. 42, б показана конфигурация конъюнктора в шифраторе ИК излучателя, формирующего Nкод =284; иное его положение на выходах счетчика связано с тем, что «вес» выхода Qi здесь равен 2^(i-5).

Подобную же структуру будет иметь дешифратор Д1 и для другого Nкод , с иными, конечно, позициями диодов в конъюнктере и дизъюнкторе.

Для того, чтобысистема реагировала на Nкод лишь при достаточно длительной его экспозиции, в цепь формирования выходного сигнала введена цепочка R9·C11@tэксп.
Обычно принимают tэксп =0,3... 3 с. На кратковременное появление Nкод (в попытках, например, побыстрее подобрать код) такая система просто не отреагирует. Выход устройства - транзистор VT1 с открытым коллектором - может быть дополнен тем или иным исполнительным механизмом. Например, тональным генератором (рис. 43, а), предупреждающим

Рис. 43. Тональный генератор (а) и электронный ключ к электромеханическому замку (б) о приходе «своего», или электронным ключом, управляющим электромагнитным замком Y1 (рис. 43, б). В правильно собранном И К приемнике потребуется, возможно, уменьшить его чувствительность. Это можно сделать как электрически - зашунтировав, например, вход усилителя DA1 резистором R12 (показан на рис. 40 штриховой), так и оптически - прикрыв фотодиод «серым» фильтром, в качестве которого можно использовать, например, пластиковые обои, выполняющие заодно и функцию фильтра, почти полностью «отрезающего» видимую часть спектра паразитной подсветки. Опыт показал, что излучение ИК генератора способно «пробить» даже 1,5...2-миллйметровый пластик. Кроме того, защитная накладка больших размеров, не позволяющая визуально определить положение фотодиода, окажется еще одним препятствием на пути несанкционированного проникновения в систему. Защита от подбора кода - основная забота конструкторов такого рода устройств. Принятая здесь система кодирования относительно проста: Nкод - лишь одно число из тысячи возможных. Но подбор кода осложнен здесь и рядом других обстоятельств. Заметим, что длительность кодовой посылки Ткод не может быть ни слишком малой (иначе «слипнутся» импульсы на входе С счетчика DD3), ни слишком большой, больше Тпр (следующая затем ИК вспышка трансформируется в R-импульс, возвращающий DD3 в исходное состояние). Осложняет подбор кода и t^, во всяком случае очень его замедляет. Защитные функции заложены даже в яркость ИК вспышки - она должна быть лишь достаточной. Повышенная освещенность фотодиода может вывести фотоголовку приемника из рабочего режима и.


привести к ошибкам в счете; И все это, заметим, при отсутствии каких-либо специальных контрмер, которые здесь, конечно же, нетрудно предусмотреть. Можно ввести еще один (или не один) находящийся в стороне фотодатчик, засветка которого немедленно заблокирует систему. Или блокировку, реагирующую на слишком большое число сделанных попыток. Более четырех за минуту, например. Блокировки могут, конечно, и дополнять друг друга. На рис. 44 показана печатная плата ИК приемника. Ее изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5...2 мм. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины-«земли» (к ней присоединен «-» источника питания), в местах пропуска проводников она имеет вытравленные
Рис. 44. Печатная плата ИК приемника «визитной карточки» кружки диаметром 1.5...2 мм (на рисунке не показаны). Соединения с нуль-фольгой «заземляемых» выводов показаны зачерненными квадратами. фотоусилитель (VD1, DA1 и др.) с его большой чувствительностью, широкополосностью, высоким входным сопротивлением необходимо экранировать. В противном случае электрические наводки, в том числе и от работы собственного дешифратора, могут сделать ИК приемник совершенно неработоспособным. Экран, имеющий «окно» для фотодиода, изготавливают из жести в виде коробки и припаивают к нуль-фольге в двух-трех точках. На рис. 44 штриховой линией показано примерное его расположение. Таблица 9

Uпит, В	Iпотр, мА
4,2	0,9
5,0	1,1
6,0	1,3
7,0	1,6
8.0	1,9
9,0	2,3

  Рекомендуется также принять меры к минимизации подсветки фотодиода посторонними источниками света, поскольку это может заметно снизить чувствительность приемника к сигналам своего ИК генератора. В качестве бленды, ограничивающей боковой подсвет фотодиода, можно взять отрезок зачерненной внутри пластмассовой или металлической тубы диаметром 10... 15 мм. Фоточувствительную часть приемника можно изготовить в виде отдельной головки, соединенной с другими его элементами тонким трехпроводным кабелем («+», «-», выв. 10 DA1).Малые размеры такой фотоголовки позволят установить ее в вырезе дверного «глазка», за маскирующей накладкой в толще двери, в дверной коробке и т.п. ИК приемник сохраняет работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений. Зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения питания Uпит показана в таблице 9. *) Напомним, что длительность импульса на выходе фотоусилителя DA1 зависит не только от длительности ИК вспышки, но и ее яркости - освещенности фотодиода. Причина - в относительно медленном восстановлении его темновой проводимости. **) Физические элементы, реализующие конъюнкцию и дизъюнкцию, - так в работах по математической логике обычно называют логические функции И и ИЛИ. Если мы и далее намерены пользоваться результатами математических исследований и не намерены повторять их (что было бы, кстати, совсем непросто), то должны, как минимум, понимать их язык.  

Инфракрасная техника

Инфракрасная техника

С появлением быстродействующих инфракрасных излучателей, прежде всего - ИК диодов, быстро растет интерес к спектру электромагнитных колебаний, имеющих длину волны l=0,8.. .1,3 мкм. Важной особенностью ИК диода является то, что он способен сконцентрировать в короткой вспышке* мощность Римп, в сотни раз превышающую мощность непрерывного его излучения Рнепр. С соответствующим (в ЦРимп /Рнепр раз) увеличением его «дальнобойности».

ИК излучение может быть пространственно преобразованосжато в узкий пучок, сфокусировано, отражено, изогнуто и др. самыми обычными оптическими средствами - линзами, зеркалами, световодами. Важно и то, что в этом диапазоне электромагнитных излучений земная атмосфера сохраняет достаточно высокую прозрачность.

ИК - свободный диапазон. Работа в нем не требует от кого-то - разрешения, кому-то - оплаты и др. В отличие от СВЧ радиодиапазонов, имеющих тот же характер распространения волн, но уже поделенных между старыми и новыми «хозяевами».

Все это может оказаться существенным и при обычном, традиционном использовании электромагнитного излучения - для нужд связи, например, но особенно - в новых приложениях.

Владельцы современных телевизоров, видеомагнитофонов, кондиционеров и др. уже познакомились с инфракрасной техникой:

пульты дистанционного управления многими бытовыми аппаратами используют кодированное ИК излучение. Но это - лишь одно из его применений.

Устройство невидимого ИК барьера, пересечение которого будет зафиксировано охранной системой, показано на рис. 28. В него входит ИЗ - импульсный генератор-излучатель и ПР - фотоприемник, реагирующий лишь на его импульсы.

Рис. 28. ИК барьер

В ИК барьер может быть включено и «зеркало» - пассивный отражатель И К лучей.

Расстояние l, на которое можно разнести фотоприемник и излучатель, зависит от мощности ИК импульсов Римп : l=кЦРимп , где к - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности излучателя и реальной чувствительности фотоприемника, его способности выделять на фонепомех сигнал своего ИК излучателя.

Основа инфракрасной техники - импульсные ИК генераторы.
Рассмотрим ряд практических их схем и конструкций, которые могут войти в охранную систему нужной конфигурации или быть использованы как-то иначе. Простой ИК генератор Экономичный ИК генератор Приемники импульсного ИК излучения ИК приемник на транзисторах ИК приемник на микросхеме Инфракрасная «визитная карточка» ИК генератор «визитной карточки» с шифратором ИК приемник «визитной карточки» с дешифратором Инфракрасный «электронный пароль» ИК генератор «электронного пароля» с шифратором ИК приемник «электронного пароля» с дешифратором ИК линия связи в охранной системе Передатчик в ИК линии связи Приемник в ИК линии связи *) Длительность фронта tф и спада tсп ИК вспышки зависит от типа ИК диода. Обычно tф @ tсп=0,1...0,5 мкс. Но существуют ИК диоды, обладающие и значительно большим быстродействием, например, ЗЛ139В с tф @ tсп@0,003 мкс.

Инфракрасная «визитная карточка»

ИК система автоматического опознания узнает «своего» по особому сигналу, который излучает брелок-генератор владельца.

Таким сигналом может быть «пакет», содержащий строго определенное число очень коротких инфракрасных импульсов- вспышек. Факторами, затрудняющими информационный «взлом» такой системы, являются, кроме того, длительность каждой вспышки и длительность всего «пакета». Они ограничиваются, как правило, довольно жесткими пределами.

Ниже описан брелок-генератор, формирующий такой пакет-код, и соответствующее ему приемное устройство.

Инфракрасный «электронный пароль»

Независимо от характера излучения, будь то радиоволна, ультразвук или свет, особое внимание в устройствах автоматического опознания «своего» уделяют самому сигналу. Основное к нему требование: вероятность появления точно такого же сигнала из постороннего источника должна быть пренебрежимо малой.

В современной технике кодовая посылка обычно имеет вид двоичной последовательности, например, 1001101000111..., где единице соответствует наличие излучения, а нулю - пауза «чистого» эфира или какое-то другое излучение. Если n - число разрядов (знако мест) в таком сигнале, то по-разному расставляя единицы и нули, мы сможем получить 2" различных их сочетаний. Так при n=7 их 128, при n=15-32768, а при n=23 - 8388608.

Среди множества возможных какую-то одну двоичную последовательность выделяют особо - в качестве кода, электронного пароля.

Экономичный ИК генератор

Излучатель ИК датчика, реагирующего на прерывание луча, нередко относят от фотоприемника на 10...20 м и более. Его размещение, удовлетворяющее требованиям охранной техники (скрытность позиции, защита от непогоды, намеренной порчи, блокировки и др.), существенно упростится, если он будет выполнен в виде автономно функционирующего блока. Важнейшим параметром такого излучателя будет, очевидно, его способность максимально эффективно использовать энергозапасы встроенного в него источника питания.

Принципиальная схема энергоэкономичного ИК генератора, формирующего достаточно мощные ИК импульсы, показана на рис. 32.

Режим его работы задан мультивибратором, выполненном на микросхеме DD1, в стоки транзисторов которой введены резисторы R1 и R3, многократно снижающие сквозные токи переходного режима. Частота мультивибратора - F@1/2·R2·C1@40 Гц. Длительность импульса тока, возбуждающего ИК диод BL1, зависит от параметров дифференцирующей цепочки R4C3: tимп@R4·C3@10 мкс. Формирователь DD2.3...DD2.6 преобразуют поступающий на его вход импульс с затянутым спадом в «прямоугольный», открывающий на это время до насыщения нормально закрытый транзистор VT1.

Напряжение питания микросхем зависит от номинала резистора R7, при возможных изменениях Uпит оно должно оставаться в пределах +(3...5) В.

Рис. 32. Экономичный генератор ИК импульсов

Рис. 33. Печатная плата ИК генератора

Рис. 34. Компоновка ИК генератора

Таблица 6

Uпит,B	Iимп,A	Iпотр, мА
4,3	0,36	0,15
5	0,46	0,22
6	0,64	0,31
7	0,85	0,43
8	1,05	0,53
9	1,1.8	0,64
10	1,36	0,75

Генератор монтируют на двусторонней печатной плате размером 17,5х55х1,2 мм (рис. 33). Фольгу под деталями используют лишь в качестве нулевой шины-«земли» (с ней соединяют «-» источника питания), в местах пропуска проводников она имеет выборки — кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны). Выводы деталей, соединяемые с «землей», припаивают непосредственно к нуль-фольге (показаны зачерненными квадратами).

Транзистор VT1 устанавливают параллельно плате, его выводы согнуты под прямым углом, расстояние между ним и платой - 4...5 мм.

Общая компоновка излучателя показана на рис. 34.
Помещенный в гнездо сечением 45х18 мм и глубиной 57...60 мм, вырубленное в стене дома, в столбе веранды, в перилах крыльца, в засохшем дереве и т.п., излучатель маскируют наклейкой подходящего цвета и фактуры. Если она непрозрачна для ИК лучей, в ней делают небольшое, по диаметру ИК диода, отверстие. Батарею питания лучше поместить снизу. Это позволит избежать порчи излучателя в случае ее разгерметизации. В таблице 6 приведены зависимости Iимп - амплитуды тока в ИК диоде и Iпотр - тока, потребляемого генератором от источника питания, от Uпит - напряжения источника питания. Частота F и длительность tимп остаются при этом практически неизменными. Токовый КПД ИК излучателя ррррh=Iимп·tимп·F / Iпотр =0,82...0,87. С батареей «Корунд» он сможет проработать непрерывно 2...3 месяца. А с аккумулятором «Ника», 7Д-ОД25 и т.п., подзаряжаемым солнечной батареей (БС-0.5-9П, БСМ-У1.1, Электроника M1 и др.), в не слишком плохих погодных условиях — без ограничения времени.

Передатчик в ИК линии связи

Его принципиальная схема приведена на рис. 55. Здесь DD1.1, DD1.2, R3, ZQ1 - тактовый генератор, возбуждающийся на частоте кварцевого резонатора fр=32768 Гц. DD3 - счетчик, на выходе 11 (выв. 15) которого формируется 16-герцовый меандр (f11=fр/2^11), а на выходе 14 (выв. 3) - 2-герцовый (f14=fр/2^14). Элементы DD2.1- DD2.4 образуют переключатель, на выходе которого (выход DD2.4) возникает 2-герцовый или 16-герцовый меандр в зависимости от уровня напряжения на входе 5 элемента DD2.1*.

Из фронта меандра дифференцирующая цепочка R5C3 и импульсный усилитель DD1.4-DD1.6 формируют в базе нормально запертого транзистора VT1 импульс тока длительностью tи@10 мкс (tи@R5·C3). Возникающий в цепи коллектора транзистора VT1 ток возбуждает ИК диод BI1 ив пространство излучается короткая ИК вспышка.

Итак, ИК передатчик всегда что-то излучает - либо редкие, 2-герцовые импульсы, если оснований для тревоги нет, либо частые,
16-герцовые - тревожные.

Рис. 55. Передатчик ИК линии связи

Рис. 56. Печатная плата передатчика

На рис. 56 показана печатная плата передатчика, которую изготавливают из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольга со стороны деталей используется лишь в качестве нулевого провода-«земли»; в местах пропуска проводников в ней вытравлены фрагменты той или иной конфигурации. Место пайки к нуль-фольге «заземляемого» вывода резистора, конденсатора и др. показано зачерненным квадратом; соединение с ней вывода микросхемы или проволочной перемычки - квадратом со светлой точкой в центре.

В центре платы сверлят отверстие под ИК диод, его выводы припаивают к соответствующим уширениям на печатных проводниках внакладку.

Все резисторы ИК передатчика - типа МЛТ-0,125. Конденсаторы: С1, С2, С5 - КМ-6 (выводы в одну сторону); С4 - К50-6; С6 - TOWA или другой, диаметром не более 10 мм; СЗ - КМ-5 (выводы в разные стороны).

Имеющиеся в продаже ИК диоды предназначены для работы в устройствах дистанционного управления бытовыми радиоаппаратами и обычно имеют довольно широкий - до 30...400 - лепесток излучения.
Для увеличения «дальнобойности» такого излучателя в него нужно ввести линзу-конденсор. Так, как показано на рис. 57. Здесь: 1 - печатная плата передатчика; 2 - ИК-диод; 3 - корпус передатчика (ударопрочный полистирол толщиной 2...2,5 мм); 4 - обойма стандартной 5-кратной часовой лупы (на ней должен быть значок «х5»); 5 - ее линза.

Рис.57. Корпус с линзой- концентратором Лупу приклеивают к передней стенке корпуса (клей - распущенные в растворителе 647 или RS-2 кусочки полистирола; им же клеят и сам корпус), в которой сделано отверстие диаметром 30...35 мм. При указанном на чертеже расстоянии между основанием лупы и печатной платой ИК диод оказывается в фокусе ее линзы, его излучение сжимается в узкий луч и освещенность окна фотоприемника на другом конце ИК линии связи многократно увеличивается. Важнейшим параметром ИК передатчика, как и любого элемента охранной техники, является его энергопотребление в дежурном режиме. В таблице 11 показана зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит. В режиме передачи тревожного сигнала Iпотр увеличивается примерно на 10%. Невысокое общее энергопотребление позволяет ввести резервный источник питания непосредственно в корпус ИК передатчика без увеличения его габаритов. Это может быть, например, 6-вольтная батарея типа 11А (Ж10,3х16 мм, емкость 33 мА·ч) или 476А (Ж13х25 мм, емкость 105 мА·ч). Показанная в таблице 11 зависимость тока в ИК диоде Iимп от напряжения питания позволяет судить о мощности ИК вспышек, излучаемых передатчиком, и, соответственно, о его «дальнобойности». Таблица 11

Uпит ,B	Iпотр, мА	Iимп, А
4,2	0,20	0,36
5,0	0,40	0,46
6.0	0,77	0,64
7,0	1,30	0,82
8,0	1,90	0,97
9,0	2,70	1.23
10,0	3,60	1,38

  Размещая передатчик, нужно помнить об очень узкой диаграмме его излучения. Узел крепления должен позволить точную наводку передатчика и жесткую его фиксацию в лучшем положении. Можно воспользоваться, например, шарнирной головкой от фотоаппарата или кинокамеры, установив ее на стене, раме окна и т.п.


Или выполнить этот узел в виде двух латунных пятачков, соединенных отожженной медной
Рис. 58. Узел крепления передатчика проволокой диаметром 2...2,5 мм (рис. 58). Один из пятачков крепят винтами к боковой стенке излучателя (резьба - в стенке), другой - шурупами к опоре. Проволоку сгибают так, чтобы излучатель занял нужное положение. Во избежание значительных вибраций она должна быть возможно более короткой. Испытания показали, что при Uпит=6 В передатчик способен обеспечить связь на расстоянии r@70 метров (с отоприемником, описание которого приведено ниже). Но это не предел. Зависимость r от Iимп при прочих равных условиях имеет вид: г@к·ЦIимп , где к - коэффициент, учитывающий «Прочие условия». Таким образом, при Uпит =10 В r@100 м. Ток в ИК диоде может быть увеличен и за счет сопротивления резистора R7: Iимп=[Uпит-4] /R7 (Iимп - в амперах, Uпит - в вольтах, R7 - в омах). Но делать это нужно с осторожностью: в любом сочетании Uпит и R7 амплитуда тока в ИК диоде не должна превышать предельно допустимую (см. приложение 3). Значительное увеличение яркости ИК вспышки можно получить, перестроив «сильноточную» часть импульсного усилителя так, как показано на рис. 59 (печатная плата - на рис. 60, а, б). В этом случае может быть достигнут ток в импульсе Iимп=10 А - допустимый для ИК диода типа АЛ123А. Резистор R4 - самодельный, отмеренный по цифровому омметру или вычисленный (см. приложение 8) отрезок нихромовой, константановой или манганиновой проволоки.
Рис. 59. Головка излучателя с ИК диодом АЛ123А
Рис. 60. Печатная плата головки мощного ИК излучателя Амплитуду и форму тока, возбуждающего ИК диод, можно проконтролировать осциллографом, подключив его к резистору R4. Излучающую головку можно выполнить в виде отдельного блока во «всепогодном» исполнении. Все остальные элементы ИК излучателя могут войти в электронную часть охранной системы в качестве ее фрагмента, связанного с ИК головкой лишь тонким трехпроводным кабелем.
Рис. 61. Приемник ИК линии связи *) Выделенное на рисунке штрих-пунктиром - пример датчика охранной системы, формирующего на своем выходе нужный сигнал.

Приемнике ИК линии связи

Принципиальная схема приемника в ИК линии связи приведена на рис. 61. Здесь DA1 - усилитель-формирователь, преобразующий ИК вспышку, освещающую фотодиод BL1, в импульс напряжения с амплитудой U10@Uc4 (эпюра 1 на рис. 62). Одновибратор, выполненный на элементах DD1.1, DD2.1 и др., расширяет этот импульс* до tф1@R2·C5@15 мс (эпюра 2 на рис. 62) для задержки его спада (1) на входе С счетчика DD3 и формирования «щелчка» длительностью tф1, в звуковом генераторе, выполненном на DD2.5, DD2.6, BF1 и др.

Одновибратор DD1.3, DD2.3 и др. формирует импульс длительностью tф2@R4·C6@1,5 с (эпюра 3 на рис. 62), разрешающий беспрепятственный подсчет импульсов в DD3 лишь на этом временном интервале.

Приемник активизируется фронтом первой же ИК вспышки. Из него формируется короткий (tr@R6-C7) импульс на входе R счетчика DD3 (эпюра 4 на рис. 62), устанавливающий счетчик в предстартовое состояние (ему соответствует 0 - напряжение низкого уровня - на всех его выходах), а спадом импульса длительностью tф1

Рис. 62. Эпюры сигналов

в счетчик записывается первая единица. Если на фотоприемник поступают импульсы, следующие с частотой 2 Гц (с такой частотой, напомним, следуют ИК вспышки, если датчики на охраняемом объекте не потревожены), то на выходе 4 (выв. 5) счетчика DD3 сохраняется 0, так как фронтом четвертого импульса (он появится через 0,5х4=2 с - по окончании разрешающего счет интервала tф2 =1,5 с) счетчик DD3 будет возвращен в исходное состояние.

По иному ведет себя приемник, если на него приходят ИК импульсы, период следования которых равен 62,5 мс, т.е. - сигнал тревоги. Поскольку 62,5х4=250 мс < tф2-1,5 с, то четвертый импульс переведет счетчик DD3 в состояние «4» (000100; на его выводе 5 появляется 1 - напряжение, близкое к напряжению питания), счетчик в этом состоянии самозаблокируется (сигнал 1 на входе 8 элемента DD1.2 делает его нечувствительным к сигналам на входе 9), а включившийся красный светодиод HL1 и 16-герцовые щелчки звукового генератора доведут сигнал тревоги до окружающих (эпюры 5 и 6 на рис. 62).
Это будет продолжаться примерно 1,25 с (tф2 -0,25), после чего возникнет 0,25-секундная пауза и тревожная сигнализация повторится. При обрыве связи приемник ведет себя иначе. Если на временном интервале tобр (tобр=R11·C8) приемник не обнаруживает ИК вспышки, конденсатор С8 разряжается по цепи VD6, R11, DD2.3, транзистор VT1 открывается до насыщения, напряжение на резисторе R8 увеличивается с -О В почти до напряжения питания, на выходе DD 1.4 устанавливается напряжение низкого уровня и звуковой генератор начинает излучать монотонный сигнал с частотой fтон@1/2R14·C9. С появлением первой же ИК вспышки конденсатор С8 быстро заряжается по цепи R10, VD5, тональное излучение прекращается и приемник приступает к анализу поступающих сигналов. Печатную плату приемника изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита 50х50 мм толщиной 1,5 мм (рис. 63) подобно тому, как это сделано в ИК передатчике. Фотоголовку ИК приемника (BL1, DA1 и др.), обладающую высокой чувствительностью к электрическим наводкам в широком спектре частот, необходимо экранировать. Экран изготавливают из жести, его выкройка показана на рис. 64. Штриховые линии здесь - места сгибов. Согнутый экран пропаивают в углах, выравнивают его низ и, установив в нужном положении

Рис. 63. Печатная плата приемника на нуль-фольгу (на плате оно показано штриховой линией), припаивают к ней в двух-трех точках. Конструктивно ИК приемник может быть выполнен так, как показано на рис. 65. Здесь: 1 - корпус приемника (черный полистирол толщиной 2...2,5 мм); 2 - обойма 7-кратной ручной лупы (ручка срезана); 3 - ее линза; 4 - печатная плата; 5 - экран фотоголовки; 6 - фотодиод ФД 263-01. Обойму лупы приклеивают к передней стенке корпуса, имеющей отверстие диаметром 35 мм (клей — распущенные в растворителе 647 или в RS-2 кусочки полистирола). Расстояние между стоящими соосно фотодиодом и линзой должно быть близко к ее фокусному расстоянию. Это сконцентрирует
Рис. 65. Конструкция приемника поступающий световой поток на фотодиоде и значительно увеличит чувствительность фотоприемника к слабым сигналам**. К узлу крепления приемника предъявляются те же требования, что и к креплению передатчика: должна быть обеспечена удобная его наводка и надежная фиксация в лучшем положении. Если по условиям связи ИК приемник должен быть вынесен на улицу (для связи, например, с автомобилем, стоящим у торца дома, или с квартирой на другом его конце), то его лучше составить их двух частей: внешней, во влагозащитный корпус-бленду которой помещают лишь объектив и фртоголовку, и внутренней - со всем остальным.


Эти части связывают тонким трехпроводным кабелем («+», «-», выв. 10 микросхемы DA1). Приемник может быть дополнен акустическим излучателем большей мощности, например, динамической головкой, включенной так, как показано на рис. 66, или пьезосиреной ACT-10 (рис. 67), сохраняющей достаточную мощность и при пониженном напряжении питания. Как показали предварительные испытания, протяженность ИК линии связи с описанными здесь ИК приемником и передатчиком достигает 70 метров. Существенное ее увеличение может дать переход В ИК приемнике важнее диаметр объектива. С его увеличением увеличивается освещенность р-п перехода фотодиода и, соответственно, расстояние, с которого может быть зафиксирована ИК вспышка излучателя.
Рис. 66. Динамическая головка в акустическом излучателе
Рис. 67. Пьезосиренав акустическом излучателе на настраиваемую оптику - если вместо неподвижной линзы с ее приблизительной фокусировкой использовать объектив от старого фотоаппарата с наводкой на резкость по расстоянию, «Дальнобойность» передатчика может быть увеличена еще в 1,5...2 раза и более за счет увеличения яркости ИК вспышки. С другой стороны, в линиях связи, не превышающих 20...25 м (автомобиль или «ракушка» под окнами 3...4-этажного дома, окно дома на другой стороне улицы и т.п.), оптика может не потребоваться вообще, во всяком случае - в ИК приемнике. *) Напомним, что при умеренной засветке длительность этого импульса близка к длительности самой ИК вспышки. При интенсивной, от близко расположенного излучателя, например, она может увеличиться в 3...5 раз и более из-за относительно медленного «рассасывания» зарядов в р-n переходе фотодиода. **) Угол расхождения лучей в объективе ИК передатчика, его так называемая апертура, должен соответствовать лепестку ИК диода (см. углы излучения ИК диодов в приложении 3). Тогда объектив «соберет» все его излучение.

Приемники импульсного ИК излучения

Из фоточувствительных приборов далеко не все обладают достаточным быстродействием, чтобы реагировать на каждую вспышку ИК диода. Обычно в фотоприемниках импульсного излучения используют фотодиоды (см. приложение 2)*.

Импульсные микротоки, возникающие в фотодиоде при его облучении, необходимо усилить и привести к нормам цифрового стандарта, т.е. преобразовать каждую И К вспышку в импульс напряжения, пригодный для непосредственного управления цифровой микросхемой того или иного типа.

Высокое входное сопротивление и усиление, значительная широкополосность усилителя, пригодного для решения такой задачи, делают его чувствительным к электрическим наводкам самого разного происхождения. В том числе и к работе электронной «начинки» прибора, в который он входит сам. Поэтому фотодиод и его усилитель обычно тщательно экранируют.

Чувствительность фотоприемника может быть заметно снижена паразитной подсветкой. Поэтому его фотодиод прикрывают, как правило, блендой - зачерненным внутри отрезком металлической или пластмассовой трубы, отгораживающим его от источников света, находящихся в стороне от оптической оси.

Прямую, соосную подсветку фотодиода уменьшают фильтрами, ослабляющими видимую часть спектра подсветки. Лучше, конечно, воспользоваться для этого специальным инфракрасным фильтром с полосой прозрачности, совпадающей со спектром излучения ИК диода. Но опыт показывает, что неплохим ИК фильтром может быть тонкий эбонит, гетинакс, окрашенный полистирол, темные пластиковые обои. Однако, почти полностью «отрезая» видимый свет, такие материалы вносят заметное ослабление и в ИК сигнал.

Хотя современный фотодиод имеет, как правило, встроенную оптику, концентрирующую фотопоток на его р-п переходе, из-за малых размеров ее эффективность относительно невелика. Чувствительность фотоголовки значительно увеличится, если ее фотодиод будет помещен в фокус линзы диаметром 20...40 мм и более, концентрирующей на нем значительно больший световой поток. В этом качестве можно использовать, например, конденсор фотоувеличителя. Или объектив от старого фотоаппарата с наводкой на резкость «по метрам», который позволит к тому же настроить оптический канал наилучшим образом.

*) Непригодны, например, фотосопротивления. Достаточно высоким быстродействием обладают вакуумные фотоэлементы и фотоумножители (ФЭУ). Но для их питания требуются источники высокого напряжения: для фотоэлементов 50...300 В, для ФЭУ - до 1 кВ и более (см. приложение 6). Значительные габариты и хрупкость также ограничивают сферу их применения.

Простой ИК генератор

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 29. На элементах DD1.1, DD1.2 собран мультивибратор, возбуждающийся на частоте F=30...35 Гц (F@1/2R2*C1). Дифференцирующая цепочка R3C2 и элементы DD1.4...DD1.6 формируют в базе нормально закрытого транзистора VT1 импульс тока длительностью tимп@ 10 мкс (tимп@R3*C2), возбуждающий включенный в его коллектор ИК диод VD1. В таблице 5 приведена зависимость амплитуды тока

Рис.29. Генератор ИК импульсов

Рис. 30. Печатная плата генератора

в ИК диоде Iимп и потребляемого генератором тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит.

Печатную плату генератора изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм (рис. 30). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевого провода-«земли». В местах пропуска проводников в ней должны быть вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны), места пайки к нуль-фольге «заземляемых» выводов конденсаторов, резисторов и др. показаны зачерненными квадратами.

В качестве примера на рис. 31 приведена зависимость относительной мощности излучения ИК диода АЛ402 от прямого импульсного тока Iпр.и. Почти линейная их связь и при столь значительном форсаже импульсных токов, которая вообще характерна для ИК диодов, позволяет ориентироваться при расчетах «дальнобойности» системы не на мощность излучения, а на легко контролируемый ток в ИК диоде.

Рис. 31. Зависимость относительной мощности излучения от прямого импульсного тока

Таблица 5

Uпит,B	Iимп,A	Iпотр,мА
4,5	0,24	0,40
5,0	0,43	0,57
6.0	0,56	0,96
7,0	0,73	1,50
8,0	0,88	2,10
9.0	1,00	2,80

Датчик радиации в охранной системе

Принципиальная схема датчика, непрерывно контролирующего радиационную обстановку в районе своего расположения, показана на рис. 78.

Транзистор VT1, импульсный трансформатор Т1 и др. составляют блокинг-генератор, импульсы с повышающей обмотки I которого через диоды VD1, VD2 заряжают конденсатор С1 до напряжения +360...440 В. Этот конденсатор - источник питания счетчика Гейгера BD1. Импульс напряжения, возникающий на аноде BD1 в момент его возбуждения ионизирующей частицей (см. осциллограмму), поступает на вход формирователя (DD1.1, DD1.2 и др.), преобразующего его в «прямоугольный» длительностью R6·C5@1 мс, и затем на вход С счетчика DD2.

Выходом датчика является выход «32» счетчика DD2, на котором сигнал 1 - признак радиационной опасности - возникнет лишь в том случае, если Nт - общее число импульсов, поступивших на С-вход счетчика за время Т, достигнет 32. Поскольку Nт зависит от Nф - средней скорости счета счетчика Гейгера в условиях естественного радиационного фона и DNф - его флуктуаций, возникающих из-за краткости измерений, то длительность измерительного интервала Т должна быть такой, чтобы вероятность появления Nт+DNт=32 в результате какого-либо измерения оказалась бы пренебрежимо малой (по характеру происходящих здесь процессов она не может быть равна нулю).

Рис. 78. Датчик радиации в охранной системе

Так, например, если в счетчике Гейгера, имеющего Nф=20 имп/мин (это устанавливают длительными измерениями), при экспозиции T=1 мин флуктуации DNт max=10, т.е. не выходят из пределов 10 имп/мин (это устанавливают в процессе измерения Nф), то Nт max=20+10<32 и такой датчик не поднимет ложной тревоги.

Может показаться, что измерения можно было бы легко ускорить. Взяв, например, Т=1/2 мин и сделав выходом датчика выход «16» счетчика DD2. Но если «постоянная составляющая» фона в таком случае уменьшится вдвое и составит Nф/2=10, то его флуктуации - лишь в Ц2 раз, до DNт max/Ц2 = 10/Ц2=7. В таком случае Nт max=10+7>16 и такой датчик будет время от времени подавать сигнал радиационной опасности без какого-либо на то основания.
Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Прежде всего - недоверием к нему. В тех случаях, когда возникает необходимость зафиксировать и кратковременное появление источника радиации (перемещающегося,

Рис. 79. Генератор импульсов сброса к датчику радиации например, в проходящем мимо автомобиле), берут счетчик Гейгера, обладающий большей радиационной чувствительностью, или используют несколько малочувствительных счетчиков, набрав нужную чувствительность их числом (счетчики Гейгера можно включать параллельно - при низких, фоновых скоростях счета их радиационные чувствительности суммируются). В приложении 4 приведены основные параметры счетчиков Гейгера отечественного производства, среди которых можно подобрать наиболее подходящий для решения той или иной задачи. Трансформатор Т1 может быть здесь таким же, как и в «Стороже-Р». Принципиальная схема генератора импульсов, задающих паузу Т на входе R счетчика DD2, показана на рис. 79, а. Хотя в этом, как правило, не возникает необходимости — почти всегда охранная система имеет электронные часы с многоразрядным делителем частоты и сформировать нужную последовательность коротких импульсов можно так, как показано на рис. 79, б.

Экономичный источник питания счетчика Гейгера

В автономных приборах непрерывного радиационного контроля, использующих в качестве датчиков радиации счетчики Гейгера, основным энергопотребителем является устройство, преобразующее невысокое напряжение источника питания прибора в напряжение 360...440 В, соответствующее плато счетной характеристики галогенового счетчика Гейгера (см. приложение 4). Принципиальная схема энергоэкономичного преобразователя напряжений показана на рис. 80.

Рис. 80. Экономичный источник питания счетчика Гейгера

Его основу составляет блокинг-генератор, на выходной обмотке которого формируются короткие (5...10 мкс) импульсы амплитудой около 420 В. Через диоды VD3, VD4 они заряжают конденсатор С4. Этот конденсатор и будет источником питания счетчика Гейгера (напомним, что проводимость счетчика Гейгера в паузе между возбуждениями близка к нулю).

Энергоэкономичность преобразователя обеспечивается тем, что межимпульсная пауза в его блокинг-генераторе задается не собственной времязадающей цепочкой R1C3, как это обычно делается, а одновибратором (DD1.1, DD1.2 и др.), работающим на микротоках [2]. Продолжительность паузы в нем tп@R3·C5 выбирают так, чтобы напряжение на выходе преобразователя в режиме фонового счета было близко к высшему значению напряжения на плато счетной характеристики счетчика Гейгера. (В дальнейшем снижение напряжения на выходе преобразователя, его смещение к другому краю плато будет обязано лишь снижению напряжения источника питания.)

Блокинг-генератор сформирует внеочередной импульс подпитки конденсатора С4, если на входе 2 элемента DD1.2 возникнет провоцирующий ее импульс. Если этот импульс будет возникать при каждом срабатывании счетчика Гейгера, то это позволит удержать напряжение на выходе преобразователя на уровне, не зависящем от скорости счета.

Трансформатор Т1 блокинг-генератора наматывают на ферритовом сердечнике, составленном из двух колец М3000МН 12х8х3 мм. Кольца склеивают, острые их ребра заглаживают наждачной бумагой и весь сердечник обматывают тонкой фторопластовой или лавсановой лентой.

Сначала наматывают обмотку II, она содержит 420 витков провода ПЭВ-2 0,07. Намотку ведут в одну сторону, почти виток к витку, оставляя между ее началом и концом «зазор» 1...1.5 мм. Обмотку II также покрывают слоем изоляции. Далее наматывают обмотку I - 5 витков провода ПЭВШО 0,15...0,2 - и по ней - обмотку III - 2 витка того же провода. Эти обмотки должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее.

Правильная фазировка обмоток трансформатора (точками показаны их синфазные концы) должна быть соблюдена при его монтаже. Экспериментировать с этим не следует - можно сжечь транзистор.

В преобразователе: резисторы Rl, R2 - типа МЛТ-0,125, R3 - КИМ-0,125; конденсатор С1 - любой оксидный, С2, С5 - типа КМ-6 или К10-176, СЗ - К53-30, С4 - К73-9.

Преобразователи такой структуры закрывают, по существу, саму проблему питания счетчиков Гейгера от низковольтных источников: потребляемый таким преобразователем ток уже составляет малую часть тока саморазряда большинства гальванических батарей.

ОСТОРОЖНО - РАДИАЦИЯ!

Ионизирующая радиация опасна не только своей высокой поражающей способностью - доза, смертельно опасная для человека, в тепловом ее эквиваленте едва нагрела бы и стакан воды, но и тем, что она никак не воспринимается нашими органами чувств. Ни один из органорецепторов человека не предупредит его о сближении с источником радиации любой интенсивности.

Это обстоятельство позволяло долгое время скрывать от населения происходившие в нашей стране радиационные аварии и их последствия. И даже после взрыва на Чернобыльской АЭС, радиоизотопный след которого ощутила, как минимум, вся Европа, еще несколько лет у нас блокировались любые попытки дать в руки населения приборы, которые позволили бы ему самому позаботиться о своей безопасности. И лишь с появлением* в свободной продаже датчиков ионизирующей радиации - так называемых счетчиков Гейгера - управлявшие нашей страной утеряли, наконец, исключительное право знать то, что не следует, по их мнению, знать населению... «Сторож-Р» - прибор непрерывного радиационного контроля Радиационный индикатор в радиоприемнике Радиолюбительский дозиметр Датчик радиации в охранной системе Экономичный источник питания счетчика Гейгера Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения *) Этому «появлению» способствовали не только статьи в журнале «Радио», о которых мы еще будем говорить, но и многомиллионный «АиФ», опубликовавший принципиальную схему чрезвычайно простого прибора радиационного контроля, которому не хватало лишь счетчика Гейгера [14]. Пренебречь последовавшей реакцией, судя по всему, уже не решились.

Радиационный индикатор в радиоприемнике

Транзисторный приемник с введенным в него радиационным детектором не только приобретает новую важную функцию, но объединение этих двух аппаратов имеет очевидные выгоды: корпус, источник питания, усилитель низкой частоты и акустический излучатель могут быть в таком «комбайне» общими.

Принципиальная схема радиационного блока, встраиваемого в транзисторный радиоприемник, показана на рис. 70. В его основе - радиационный индикатор «Сторож-Р» (см. в этой книге). Поскольку

Рис. 70. Принципиальная схема встраиваемого радиационного индикатора

Рис. 71. Печатная плата индикатора

различаются эти приборы лишь формой тревожного сигнала (вспышки светодиода там и тональные посылки здесь), то здесь уделим основное внимание возможной конструкции такого «комбайна», стыковке его составляющих.

Все элементы индикатора, за исключением переключателя SA1, монтируют на двусторонней печатной плате, «монтажная» сторона которой показана на рис. 71. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины-«земли», в местах пропуска проводников в ней вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм, а места соединения с ней «заземляемых» проводников показаны черными квадратами. Высота устанавливаемых на плату деталей не должна превышать 8...9 мм. Счетчик Гейгера крепят на плате со стороны печатных проводников с помощью надетых внатяг на выводы анода и катода проволочных скоб, впаянных затем в предназначенные для них отверстия.

Полностью смонтированный радиационный блок (его габариты 19х23х109 мм, масса 22 г) можно установить в радиоприемник так, как это показано на рис. 72, а. В стенке корпуса делают сквозной вырез 11х109 мм для пропуска счетчика Гейгера. Во избежание возможного его повреждения (корпус счетчика очень тонок) на этот вырез наклеивают глубокую (-9 мм) накладку, имеющую форму продолговатой коробки с прорезями - окнами. Такое размещение радиационного блока возможно, если в радиоприемнике найдется свободное пространство 12х19х109 мм.

Вариант размещения, показанный на рис. 72, б, потребует большего пространства - 21х19х109 мм.
Правда, габариты приемника в этом случае почти не изменятся: закрывающая вырез в корпусе (9х92 мм) защитная решетка может иметь толщину лишь 1,5...2 мм.

Рис. 72. Варианты размещения индикатора в радиоприемнике
Рис. 73. Радиационный индикатор в выносном блоке Но если радиоприемник мал или «упакован» так, что установить в нем радиационный блок никак не удается*, то его можно поместить в отдельный футляр (рис. 73, а) и, связав с приемником тонким трехпроводным кабелем, носить так, как показано на рис. 73, б. Выключатель питания SA1, которым к работающему приемнику подключают радиационный индикатор, можно установить в любом удобном для этого месте. Нередко в качестве выключателя удается использовать тот или иной коммутационный элемент самого приемника - например, свободную или не слишком нужную позицию переключателя диапазонов. Включенный индикатор никак не повлияет на работу приемника - на фоне принимаемой программы появятся лишь редкие (при нормальном радиационном фоне 15...25 имп/мин) акустические щелчки. Радиационный индикатор рассчитан на установку в радиоприемники, имеющие 9-вольтное питание. Но его можно переделать и для работы в приемниках, питающихся от 6-вольтных батарей. Для этого потребуется лишь изменить моточные данные трансформатора Т1: обмотка II должна иметь 5, а обмотка III - 2 витка провода ПЭВШО-0,12.,.0,15. Обмотка I остается без изменений - все те же 420 витков ПЭВ-2-0,07. Среди транзисторных приемников, особенно старых выпусков, могут оказаться модели, в которых с нулевой шиной-«землей» соединен не минус источника питания, а плюс. В таких случаях нужно лишь переполюсовать питание индикатора: соединить его «+» с «землей», а общий провод - с «-» радиоприемника. Номинал резистора R6 выбирают в пределах (10...20)R, где R - сопротивление регулятора громкости радиоприемника. Накладку или решетку, защищающую счетчик Гейгера от возможного повреждения, изготавливают из того же материала, что и корпус приемника. Если это ударопрочный полистирол (обычно это так), то для их склейки можно использовать распущенную в растворителе 647 стружку того же полистирола (того же цвета).


Это по существу сварное соединение отличается высокой прочностью. Тем же клеем крепят к корпусу приемника и полистироловые стойки - опоры под печатную плату. Они должны иметь отверстия с резьбой под винт М2. Подходящие стойки, даже с залитыми в них металлическими вкладышами, нередко обнаруживаются в корпусах выброшенных электро- и радиоаппаратов самого разного назначения. Трудности объединения этих двух аппаратов связаны, очевидно, с тем, что обычные бытовые транзисторные радиоприемники изначально на такое их применение не рассчитаны. Конечно, все элементы радиационного блока можно было бы разместить на общей с радиоприемником печатной плате, предусмотрев в его корпусе соответствующее «окно» для счетчика Гейгера. Обратим внимание будущих конструкторов таких «комбайнов» на особенности УНЧ, противоречивость предъявляемых к нему здесь требований. С одной стороны, при работе с радиоприемником УНЧ должен иметь достаточно малые нелинейные искажения, а с другой - при работе лишь с радиационным индикатором - предельно малое, в паузе близкое к нулю, энергопотребление (ток, потребляемый самим индикатором, <0,2 мА). Энергоэкономичность режима радиационного контроля вовсе не самоцель - в сомнительных обстоятельствах радиационную обстановку контролируют непрерывно. В заключение заметим, что описанный здесь радиационный индикатор сохранит свою главную функцию - функцию прибора, следящего за радиационной обстановкой, и без узла, формирующего тревожный сигнал. Поэтому при необходимости (отсутствии, например, микросхемы К176ЛП1) этот узел можно исключить (исключают микросхему DD2, диоды VD4 и VD5, резисторы R8...R13, конденсаторы С8 и С9, а вывод 10 элемента DD1.1 соединяют непосредственно с выводом 6 элемента DD1.3). *) Радиационная чувствительность счетчика Гейгера зависит от его размеров (см. приложение 4). В стремлении непременно вписаться в габариты малоразмерного приемника мы могли бы воспользоваться и малоразмерным счетчиком Гейгера, тем же СБМ10 или СБМ21. Но значительное (в 6...10 раз) снижение радиационной чувствительности вряд ли было бы оправдано в приборе такого назначения.

Радиолюбительский дозиметр

Ионизирующая радиация опасна для человека в любых дозах. В небольших ее воздействие оказывается очень замаскированным - последствия могут проявиться спустя годы, десятилетия и даже в следующих поколениях (онкология, генетические повреждения и др.). С увеличением уровня облучения не только возрастает вероятность таких последствий, но в организме человека возникают нарушения, которые могут привести его к гибели в считанные дни, часы, а то и прямо «под лучом»*. Так что знать уровень радиации, иметь возможность хотя бы приблизительно оценить его представляется никак не лишним.

Обнаружив повышенный уровень ионизирующего излучения, естественно поинтересоваться его источником. Что это: тайно захороненные радиоактивные отходы? Ускоритель соседнего НИИ? Рентгеновский аппарат, «светящий» не туда? Изотопная «мина» просвещенного киллера? Выброшенный за ненадобностью пожарный датчик? Радиоактивный минерал? Кость динозавра?... Какова активность обнаруженного? Конфигурация его излучения?... Для ответов на все эти вопросы нужен прибор, способный в каких- то единицах измерять уровень ионизирующего излучения.

Принципиальная схема радиолюбительского дозиметра, ведущего измерения ионизирующего излучения в ЕРФ - в единицах естественного радиационного фона (Dф@15 мкР/ч), приведена на рис. 74**.

Датчиком радиации BD1 в дозиметре является счетчик Гейгера типа СБМ20, чувствительный к g- и жесткому b-излучению (см. приложение 4). Его реакция на естественный радиационный фон - импульсы тока, следующие без видимого порядка со средней скоростью Na=20...25 имп/мин***. Скорость счета в счетчиках Гейгера линейно связана с уровнем радиации.

Рис. 74. Радиолюбительский дозиметр

Так, на десятикратное увеличение ее уровня счетчик СБМ20 отреагирует десятикратным же увеличением скорости счета - до Nрад =200...250 имп/мин. Прямая пропорциональность преобразования Nрад <->Dрад начнет нарушаться лишь при очень значительных уровнях радиации, с появлением большого числа импульсов, разделенных слишком малым, за пределами разрешающей способности счетчика, временным интервалом.
В паспорте счетчика обычно указывают Nmax - максимальную скорость счета. Для счетчика СБМ20 Nmax=4000 имп/с. И если он сохранит линейность преобразования Nрад <->Dрад хотя бы до 2000 имп/с, то по скорости счета можно будет численно оценивать радиационные поля в диапазоне Dрад =(1...5000) Dф - более чем достаточном для бытового прибора. Рекомендуемое напряжение питания счетчика СБМ20 - Uпит=360...440 В. На этот диапазон напряжений приходится так называемое плато: изменения Uпит в этих пределах мало сказывается на скорости счета и принимать меры к его стабилизации нет необходимости. Во всяком случае - в приборах умеренной точности. Устройство, преобразующее напряжение батареи, питающей дозиметр, в высокое напряжение Uпит на аноде счетчика Гейгера, построено на блокинг-генераторе (T1, VT1 и др.). На повышающей обмотке I его трансформатора формируется короткий - 5...10 мкс - импульс амплитудой 440...450 В, заряжающий через диоды VD1, VD2 конденсатор С1. Частота следования импульсов блокинг-генератора F@1/2R6·C3@40 Гц. Каждая ионизирующая частица, возбуждающая счетчик Гейгера, становится причиной короткого лавинообразно развивающегося разряда. Возникающие на нагрузке счетчика, резисторе R1, импульсы напряжения поступают на одновибратор (DD10.3, DD10.4 и др.), формирующий из них «прямоугольные» импульсы длительностью tф1@R7·C7@0,2 мс и амплитудой, достаточной для управления КМОП-микросхемами. Все нужные в приборе временные интервалы и частоты формирует счетчик DD1. Его задающий генератор работает на частоте кварцевого резонатора ZQ1 - 32768 Гц. Счетный узел дозиметра составлен из трех десятичных счетчиков DD4, DD5, DD6, люминесцентные индикаторы HG1, HG2 и HG3 которых индицируют, соответственно, «единицы», «десятки» и «сотни», и одного двоичного счетчика - DD7, представляющего «тысячи». Выходы десятичных счетчиков подключены к соответствующим сегментам люминесцентных индикаторов, а выходы счетчика DD7 - к децимальным точкам этих же индикаторов, на которых «тысячи» индицируются в двоичном коде: °°° - «0», °°* - «1», °*° - «2»,..., ** ° - «6», ***- «7» ( &deg - точка «не горит», * - точка «горит»).


Емкость счетного узла увеличивается таким образом до «7999». Счетчик DD3 формирует единицу измерения, принятую в этом приборе. Если его датчик находится в условиях нормального радиационного фона, то на измерительном интервале tизм=39 с (это длительность «нуля» на выходе М счетчика DD1) на вход DD3 поступает в среднем Nф·39/60=(20...25)·39/60@16 импульсов. Т.е. в норме, при Nрад@Nф на табло счетчика будет зафиксировано: «000», если Nрад<16, или «001», если 16<Nрад<32 (время tизм выбрано так, чтобы флуктуации Nф практически никогда не достигали значения 2Nф ). Измерительный интервал tизм завершается tинд - 3-секундной демонстрацией результата измерения. Ее формирует счетчик DD2. На время t блокируется вход счетного узла и включается устройство (VT3, VT4, Т2 и др.), преобразующее напряжение питания микросхем в значительно более низкое напряжение питания накалов люминесцентных индикаторов. Его форма - меандр, частота - 32768 Гц. Интервал индикации tинд заканчивается переводом всех счетчиков прибора в нулевое состояние. И тут же начинается новый цикл измерения. Прибор смонтирован на односторонней печатной плате размерами 123х88 мм, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 75). На плате установлены все детали, кроме выключателя питания, звукоизлучателя и батареи «Корунд». Почти все резисторы в приборе - типа МЛТ-0,125 (R1 - КИМ-0,125). Конденсаторы: С1 - К73-9, С2 - КДУ или К2М (на напряжение не менее 500 В), СЗ, С4 и С5 - К53-1, остальные - КМ-6, К10-176 и др.. Трансформатор Tl наматывают на ферритовом кольце М3000МН К16х10х4,5, предварительно загладив его ребра наждачной бумагой и обмотав тонкой лавсановой или фторопластовой лентой. Первой наматывают обмотку I, содержащую 420 вит ков провода ПЭВ-2 0,07. Ее размещают почти по всему сердечнику, с промежутком 1,5...2 мм между началом и концом. Намотку ведут почти виток к витку, смещаясь по сердечнику лишь в одну сторону. Обмотку I также покрывают слоем изоляции. Обмотки II (8 витков) и III (3 витка) наматывают проводом ПЭВШО 0,15...0,25.

Рис. 75 Печатная плата дозиметра (масштаб 1:2) Они должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее. При монтаже трансформатора необходимо соблюдать фазировку его обмоток (их начала отмечены на схеме значком «•»). Экспериментировать с этим не следует - можно сжечь транзистор VT1. Трансформатор Т2 наматывают на кольце К10х6х5 (феррит 2000НН). Его готовят к намотке так же, как и сердечник для трансформатора Т1. Обмотку I (400 витков) наматывают в два провода (ПЭВ-2 0,07). Конец одной полуобмотки соединяют с началом другой, так образуется средняя точка. Обмотка II содержит 17 витков провода ПЭВ-2 0,25...0,4. Снаружи трансформаторы рекомендуется обмотать пластиковой изолентой - узкой полоской, вырезанной из липкой ПВХ. Это защитит их от неблагоприятных внешних воздействий. Крепят трансформаторы винтом МЗ (резьба в плате). Более простое, казалось бы, крепление трансформатора проволочной скобой таит в себе опасность: скоба может образовать в трансформаторе короткозамкнутый виток; нередкая, к сожалению, ошибка. Во избежание обрыва обмотки или замыкания ее витков крепление должно быть мягким, эластичным. Плату монтируют на передней панели прибора (ударопрочный полистирол, дюралюминий и т.п.), в которой вырезано окно против люминесцентных индикаторов. Оно может быть закрыто зеленым фильтром. На ней же в вырезе нужного размера монтируют пъезоизлучатель ЗП-1 или ЗП-22. А под светодиод HL1 делают соответствующее его размерам отверстие. Корпус прибора - стандартная пластмассовая коробка 130х95х20 мм (например, из-под шашек). Во избежание заметного уменьшения чувствительности прибора к мягкому ионизирующему излучению в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, нужно сделать вырез 10х65 мм, который затем можно перекрыть редкой решеткой. Конечно, далеко не все из вышеперечисленного является строго обязательным. Резисторы типа МЛТ можно заменить на другие такого же размера. В качестве VT3, VT4 могут быть взяты практически любые n-p-n транзисторы. Если их усиление по току будет невелико, потребуется, возможно, несколько уменьшить сопротивление резисторов R9 и R10.


Возможна и даже желательна замена люминесцентных индикаторов ИВ3 на ИВ3А, имеющие меньший ток накала. Не является незаменимым и счетчик СБМ20. Пригодны любые 400-вольтные счетчики Гейгера, имеющие фоновую активность Nф@24 имп/мин. В этом случае в схему прибора не потребуется вносить никаких изменений. Если же Nф будет иным, то между выходами 1, 2, 4, 8 и 16 счетчика DD3 и входом счетчика-накопителя нужно включить диодно-резисторный дешифратор, в котором установкой соответствующих диодов должно быть набрано число, возможно более близкое к 0,65 Nф. На фрагменте схемы (рис. 76) показано, как это сделать для Nф=I6. Здесь 0,65 Nф@11, что в двоичном коде и набрано в дешифраторе. На печатной плате предусмотрено место для установки диодно-резисторного дешифратора.
Рис. 76. Дешифратор для коррекции Nф {Nф=16) Возможен и другой путь: требуемое Nф может быть получено параллельным включением нескольких малочувствительных счетчиков Гейгера. Подойдет, например, «батарея» из пяти счетчиков СБМ10 или СБМ21. Параметры наиболее подходящих для бытовых дозиметров счетчиков Гейгера приведены в приложении 4. Таблица 12

Напряжение питания, В	9,0	8,0	7,0	6,0	5,6
Скорость счета, ед. Nф	35,8	34,2	34,0	32,8	32,8

  Светодиод HL1, включающийся при переполнении счетчика-накопителя, т.е. при очень высоком уровне ионизирующего излучения, должен быть красным и возможно более ярким: АЛ307КМ, АЛ307ЛМ и др. Параметры трансформатора Т1 выбраны так, что при разряде батареи питания напряжение на счетчике Гейгера остается в пределах плато счетной характеристики. Таблица 12 демонстрирует зависимость скорости счета от напряжении питания прибора при неизменной активности источника радиации. В таблице 13 показана зависимость потребляемого прибором тока от напряжения источника питания. Масса прибора с батареей «Корунд» - 225 г. Табло счетчика-накопителя может быть выполнено и на жидко-кристаллических индикаторах. Принципиальная схема этого узла с табло типа ИЖЦ5-4/8 показана на рис. 77. Поскольку в табло ИЖЦ5-4/8 четыре разряда, счетчик «тысяч» выполнен здесь аналогично предыдущим - на десятичном счетчике К176ИЕ4. В дозиметре с ЖКИ не нужен, конечно, блок формирования напряжения накала.


Поэтому элементы VT3, VT4, Т2, R9, R10 могут быть удалены, a DD9.1 и DD9.2 использованы по другому назначению (в противном случае их входы нужно соединить с «землей» или с «+» источника питания). Таблица 13

Режим	Потребляемый ток, мА, при напряжении питания, В
9.0	8,0	7,0	6,0
Счет при N@Nф.	0,82	0,66	0,53	0,42
Счет при N@130Nф	1,20	0,95	0,75	0,60
Индикация	23,5	21,0	18,5	16,0

Рис. 77. ЖКИ табло для дозиметра Счетчик DD7 может быть сохранен, но лишь для формирования сигнала тревоги: при появлении на табло «8000» - уровня радиации, в 8000 раз превышающего уровень естественного радиационного фона, - он включит тревожную звуковую и световую сигнализации. Еще одна особенность ЖКИ - сигнал на его сегменте должен иметь форму меандра. Сегмент становится заметным (черным), если его меандр находится в противофазе с меандром подложки ЖКИ (выводы 1 и 34), и остается фоновым, не выделенным, если их фазы совпадают. Счетчик К176ИЕ4 формирует на своих выходах меандры «единичной» и «нулевой» фазы, если на его вход S (выв. 6) подан опорный меандр с частотой следования несколько десятков или сотен герц. Можно, например, подключить входы S всех четырех счетчиков к выходу F (частота 1024 Гц) счетчика QD1. Энергоэкономичность дозиметра с жидкокристаллическим табло будет, конечно, значительно выше, нежели с люминесцентным. *) Homo sapiens - один из самых чувствительных к ионизирующей радиации биологических видов. Летальная доза для человека - 600 рентген.

**) Естественный радиационный фон в качестве своего рода тест-генератора дает возможность прокалибровать бытовой дозиметрический прибор, в том числе и самодельный, не прибегая к помощи каких-либо служб. Эта нестрогая единица позволила в свое время легализовать самодельные дозиметрические приборы. ***) Некоторая часть N. должна быть отнесена к самому счетчику, в частности, к воздействию на него радиоизотопов, входящих непосредственно в его конструкцию. В хороших счетчиках Гейгера эта составляющая N.достаточно мала и в бытовых приборах обычно не учитывается.

Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения

Для обнаружения ионизирующего излучения нередко используют способность некоторых веществ - сцинтилляторов - делать видимой, светящейся траекторию «простреливающей» их ионизирующей частицы.

Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений имеют определенное преимущество перед счетчиками Гейгера - по амплитуде и длительности вспышки можно судить о типе и энергии породившей ее частицы. Важно и то, что сцинтилляционный счетчик имеет значительно большую эффективность, нежели счетчик Гейгера, фиксирующий обычно лишь одну-две частицы из ста в него попавших.

Конструктивно сцинтилляционный счетчик прост: нужный сцинтиллятор (см. приложение 7) наклеивают на катод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и все это помещают в тщательно изолированный от посторонней подсветки бокс. Остальное - подсчет фотоимпульсов, сортировка их по амплитуде, форме и т.п. - дело обычной электронной техники.

Принципиальная схема фотоголовки сцинтилляционного счетчика приведена на рис. 81, а высоковольтного преобразователя для ее питания - на рис. 82. Напряжение питания ФЭУ - высокое по отношению к «земле» - подают обычно на его катод. Это позволяет связать анодную цепь ФЭУ с электронным анализатором прибора гальванически, учитывать при необходимости и постоянную составляющую его фототока.

Напряжение питания ФЭУ, его распределение между динодами и, соответственно, соотношения номиналов резисторов R2...R13, составляющих динодный делитель, зависят от типа фотоумножителя (см. приложение 6). Здесь мы воспользовались относительно

Рис. 81. Фотоголовка сцинтилляционного детектора ионизирующей радиации

низковольтным ФЭУ-85. Поскольку режим работы ФЭУ в сцинтилляторах бытового назначения близок к «темновому», сопротивления динодных резисторов могут быть и значительно выше рекомендованных (при сохранении пропорций).

Единственная оперативная регулировка в канале - резистор R14 - выполняет очень важную функцию: на компараторе DA1 им задают пороговое напряжение U3-4. Лишь импульсы, имеющие амплитуду Uимп>U3-4, откроют компаратор и на его выходе (выв. 9) будет сформирован импульс цифрового стандарта.

В автономной, дозиметрической аппаратуре, использующей ФЭУ, возникает проблема их питания.
Необходимое ФЭУ высокое напряжение Uфэу (0,8...1 кВ и более), требования к его стабильности (фоточувствительность ФЭУ довольно сильно зависит от напряжения питания; см. приложение 7) предъявляют к устройствам, формирующим это напряжение, довольно жесткие требования.

Рис. 82. Преобразователь для питания ФЭУ Основу высоковольтного преобразователя, показанного на рис. 82, составляет блокинг-генератор, формирующий на обмотке II трансформатора Т1 импульсы напряжения с амплитудой Uимп@Uфэу. Через диодный столб VD3 они заряжают конденсатор С5, который становится таким образом источником питания фотоумножителя. Пульсации Uфэу (они имею форму «пилы» с временными интервалами между «зубцами» tп@R7·C4) снимает RC-фильтр (С5, R8, С6, R9, С7). В цепь питания блокинг-генератора введен транзистор VT2, коллекторный ток которого зависит от тока базы, зависящего, в свою очередь, от тока стока полевого транзистора VT3 . Напряжение на затворе этого транзистора зависит от Uфэу, напряжения на стабилитроне VD1 (транзистор VT1 - его токозадающий «резистор») и соотношения «плечей» делителя R3+R4, R6 (резистором R3 выставляют нужное Uфэу ). Легко видеть, что при понижении Uфэу (по абсолютной величине), возникшем по какой-либо дестабилизирующей причине, напряжение питания блокинг-генератора увеличится и воздействие дестабилизирующего фактора будет тем самым в значительной мере компенсировано. Трансформатор блокинг-генератора наматывают на ферритовом кольце М3000МН 20х12х6 мм. В связи с тем, что этот феррит имеет низкое объемное сопротивление, острые ребра сердечника необходимо загладить и тщательно весь его изолировать; обмотать, например, лавсановой или фторопластовой лентой. Первой наматывают обмотку II, содержащую 800 витков провода ПЭВ-2 0,07. Намотку ведут в одну сторону, почти виток к витку, оставляя между началом и концом обмотки промежуток 2...3 мм. Обмотку II также покрывают слоем изоляции. Обмотку I (8 витков ПЭВШО 0,15...0,25) и обмотку III (3 витка тем же проводом) укладывают по сердечнику возможно равномернее. Фазировка обмоток (точками на Т1 отмечены их синфазные концы) должна быть соблюдена при монтаже трансформатора. О деталях преобразователя.


Резистор R6 - КИМ-0,125, R3 - СП-38А, другие - МЛТ-0,125 и 0,25. Конденсаторы СЗ, С4 - КМ-6 или К10-176; С5 ,С7 - К15-5-Н70 (1, 5 кВ) или другие керамические на напряжение не менее 1 кВ; С1 и С2 - любые оксидные. Диодный столб 2Ц111А-1 можно заменить четырьмя последовательно включенными диодами типа КД102А. При каких-либо иных заменах нужно иметь в виду, что диодный столб VD3 не только должен иметь высокое обратное напряжение - не менее Uфэу , но и малый (при этом напряжении) ток утечки - не более 0,1 мкА. Транзистор блокинг-генератора можно заменить на КТ630В. Здесь определяющим параметром является напряжение насыщения транзистора в импульсном режиме: при токе в импульсе 1...1,5 А - Uкэ нас имп Ј0,3 В. Остаточное напряжение на коллекторе транзистора нетрудно оценить по осциллограмме: по «зазору» между плоской вершиной импульса и линией нулевого потенциала. Ток, потребляемый высоковольтным преобразователем от источника питания, будет зависеть, конечно, от нагрузки. С двумя описанными здесь сцинтилляционными головками, работавшими в режиме радиационного локатора, он не превышал 16 мА.

«Сторож-Р» - прибор непрерывного радиационного контроля

На техногенное загрязнение окружающей среды нередко смотрят как на неизбежную «плату» за те удобства цивилизованной жизни, которые нам предоставляет научно-технический прогресс. Но если о загрязнениях, хоть как-то себя проявляющих, мы можем судить и сами, можем так или иначе минимизировать их воздействие на себя, то по отношению к веществам, полям, средам, недоступным нашим органам чувств, мы оказываемся в ином положении: не только предпринимать какие-либо меры самозащиты, но и просто узнать о появлении такой опасности, даже длительном ее существовании мы не можем.

В таких случаях остается целиком и полностью полагаться на те или иные службы централизованного контроля, сознавая, что по самому характеру своей деятельности, по физическим своим возможностям они в лучшем случае будут следить лишь за среднестатистическим благополучием каждого из нас и его соответствием нормам своих ведомств.

Все это в полной мере относится и к радиационному загрязнению окружающей среды - к радиоизотопам, к их проникающему излучению: невидимому, неслышимому, неосязаемому, не обладающему ни запахом, ни вкусом даже в безусловно недопустимых дозах. Правда, монопольное право на радиационный контроль в нашей стране ведомственные службы недавно утеряли - у населения появились персональные дозиметры.

Но «измерение опасности» - этой первоосновы ведомственного контроля, пришедшей к нам вместе с персональными дозиметрами (в большинстве своем - упрощенными моделями профессиональных), - лишь на первый взгляд кажется чем-то вполне заменяющим органолептический контроль. В том, что ни один из органов чувств человека не может быть отнесен к категории измеряющих, можно, конечно, видеть лишь ни к чему не обязывающие нас особенности эволюции живого. Но то, что потеря любого из них не компенсируется даже самым совершенным произведением нынешней электронной техники, заставляет отнестись к органолептической ориентации - к самой ее идеологии, ее шкале ценностей - с должным вниманием. Как, соответственно, и к приборам, способным подобным же образом ориентировать человека в потенциально опасных для него новых средах.

Техника персональной ориентации человека в продуктах и отходах современной цивилизации призвана решать задачи, непосильные для специалистов-профессионалов, независимо от их числа, квалификации и оснащения.
Всегда - как это неизменно выяснялось - недостаточных. Но какими же могут быть функции у приборов «органолептического» контроля радиационной обстановки? Чем, собственно, они должны отличаться от обычных дозиметров? И вообще - располагаем ли мы для этого достаточными средствами? Органолептический прибор радиационного контроля - радиационный технорецептор - отличается от дозиметрического прежде всего своим назначением: он обязан своевременно поставить в известность своего владельца о его сближении с источником радиации, о появлении пока еще потенциальной для него опасности. Техническое обеспечение такого режима работы прибора сказывается почти на всех его параметрах. Так, если энергоэкономичность дозиметра является для него показателем достаточно второстепенным, то для технорецептора он - из важнейших: прибор, не способный работать непрерывно, требующий постоянной заботы о своем энергообеспечении, вообще не может быть отнесен к этой категории. С другой стороны, почти теряет смысл вопрос о точности технорецептора. Во всяком случае в выборе между возможностью «видеть» широкий спектр радиационных излучений и точностью количественной оценки только какой-то его разновидности - лишь гамма-излучения, например, - безусловный приоритет будет иметь спектральная широкополосность прибора. Различаются эти приборы и по форме представления информации. Радиационный технорецептор должен включать ее в рецепторное пространство человека. То есть, он должен обладать способностью информировать своего владельца о радиационной обстановке и ее изменении без какого-либо запроса с его стороны. Обычные в измерительной технике табло и шкалы здесь, очевидно, ничем помочь не могут.

Рис. 68. Радиационный индикатор «Сторож-Р» Особые требования предъявляются и к надежности технорецептора. Она должна быть не только высокой, но и постоянно проверяемой - отказ прибора должен обнаруживаться незамедлительно. Органолептический прибор радиационного контроля должен обладать и высокой радиационной чувствительностью, во всяком случае - быть способным контролировать естественный радиационный фон и практически мгновенно реагировать на сколько-нибудь заметные его изменения. И, наконец, все это мало бы чего стоило, если бы стоило дорого... С учетом вышеизложенного и был спроектирован «Сторож-Р» - сторож радиационный - прибор непрерывного радиационного контроля. Его основные параметры:

Спектр контролируемых излучении	b(>0,5 МэВ), g(>0,05 МэВ)
Реакция на естественный радиационный фон (ЕРФ)	акустические импульсы- щелчки, следующие со средней частотой 15...25 имп/мин;
Реакция на изменение уровня радиации	изменение скорости счета (линейная зависимость);
Порог тревожной сигнализации	4...5 ЕРФ
Напряжение источника питания	9 В
Потребляемый ток: в фоновых радиационных полях в режиме тревожной сигнализации	0,15...0,2 мА 3...4 мА
Время непрерывной работы (с батареей «Корунд»)	> 5000 часов
Время выхода на рабочий режим	<1c
Габариты прибора	120х46х21 мм
Масса прибора (с источником питания)	100 г

Принципиальная схема прибора показана на рис. 68. В качестве датчика ионизирующей радиации BD1 используется счетчик Гейгера типа СБМ20*. Высокое, напряжение на его аноде формирует блокинг-генератор: импульсы напряжения с повышающей обмотки I трансформатора Т1 через диоды VD1, VD2 заряжают конденсатор фильтра С1. Нагрузкой счетчика служит резистор R1 и элементы, связанные с входом 8 микросхемы DD1. На элементах DD1.1, DD1.2, СЗ и R4 собран одновибратор, преобразующий импульс, поступающий со счетчика Гейгера и имеющий затянутый спад, в «прямоугольный», длительностью 5...7 мс. Фрагмент схемы, включающий в себя элементы DD1.3, DD1.4, С4 и R5, представляет собой управляемый по входу 6 DD1 звуковой генератор, возбуждающийся на частоте F@1/2·R5·C4@1 кГц, к парафазному выходу которого (выходы 3 и 4 DD1) подключен пьезоизлучатель НА1. Акустический импульс-щелчок возбуждается в нем «пачкой» электрических импульсов. На элементах VD4, R8...R10, С8 и С9 собран интегратор, управляющий работой порогового усилителя, выполненного на микросхеме DD2.
Рис. 69. Печатная плата «Сторожа-Р» Напряжение на конденсаторе С9 зависит от средней частоты возбуждения счетчика Гейгера; по достижении им потенциала отпирания полевого транзистора, входящего в DD2, включается светодиод HL1: частота и длительность его вспышек будут расти с увеличением уровня радиации. Прибор монтируют на печатной плате, изготовленной из двустороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 69, а). Фольга обратной стороны используется лишь в качестве нулевой шины (она соединена с «-» источника питания), в местах пропуска проводников в ней вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм. Двухцокольный счетчик СБМ20 крепят на печатной плате жесткими скобками (стальная проволока диаметром 0,8...0,9 мм). Их надевают внатяг на выводы счетчика и впаивают в предназначенные для них отверстия. Счетчик с мягкими выводами (другое оформление счетчика СБМ20) крепят за корпус охватывающими его тонкими скобками (монтажный провод диаметром 0,4...0,6 мм), отверстия для их распайки - «а-б» и «в-г». Трансформатор Т1 наматывают на кольцевом сердечнике М3000НМ типоразмера К16х10х4,5 мм.


Острые ребра сердечника предварительно заглаживают шкуркой и покрывают весь сердечник электрически и механически прочной изоляцией, например, обматывают лавсановой или фторопластовой лентой. Первой наматывают обмотку I, она содержит 420 витков Провода ПЭВ-2-0,07. Обмотку ведут почти виток к витку, в одну сторону, оставляя между ее началом и концом промежуток в 1...2 мм. Обмотку I также покрывают изоляцией. Далее наматывают обмотку II-8 витков провода диаметром 0,15...0,2 мм в произвольной изоляции, и поверх нее - обмотку III - 3 витка тем же проводом. Эти обмотки также должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее. Расположение обмоток и их выводов должно соответствовать рисунку печатной платы, а их фазировка - указанной на принципиальной схеме (синфазные концы обмоток обозначены точками). Готовый трансформатор рекомендуется покрыть слоем гидроизоляции - обмотать, например, узкой полоской липкой пластиковой ленты. На плату трансформатор крепят винтом МЗ между двумя эластичными, не продавливающими обмоток, шайбами. При сборке прибора рекомендуется использовать следующие типы конденсаторов: С1 - К73-9-630В, С2 - КД-26-500В, С8 и С9 - К10-17-26, С5 - К53-30 или К53-19; С7, С10 - К50-40 или К50-35. При возможных заменах следует иметь в виду, что завышенные утечки конденсаторов С1 и С2 (как и обратный ток диодов VD1 и VD2) могут резко увеличить энергопотребление прибора. Оно может быть заметно увеличено и неудачным выбором конденсатора С5. Резисторы: R1 - КИМ-0,125 или СЗ-14-0,125, остальные - МЛТ-0,125, С2-23-ОД25 или С2-33-ОД25. В качестве DD1 можно, конечно, взять микросхему К561ЛА7. Диод КД510А - заменить любым кремниевым с током в импульсе не менее 0,5 А. Светодиод годится практически любой, критерий здесь - достаточная яркость. Пьезоизлучатель барабанного типа ЗП-1 может быть заменен излучателем с акустическим резонатором - ЗП-12 или ЗП-22. Возможно применение и других пьезоизлучателей. Критерий здесь - достаточна громкость. Полностью смонтированную печатную плату, пьезоизлучатель и выключатель устанавливают на передней панели прибора, которую изготавливают из ударопрочного полистирола толщиной 2,5 мм (рис. 69, б).


Корпус прибора, имеющий форму открытой коробки, изготавливают из полистирола толщиной 1,5...2 мм; по краю, с внутренней его стороны выбирают паз глубиной 2,5 мм для фиксации в нем передней панели прибора по всему ее периметру. Крышку скрепляют с передней панелью винтом М2, место крепления - прилив на отсеке питания с запрессовыванным в нем металлическим вкладышем, имеющим резьбу под винт М2. Поскольку источник питания в приборе меняют очень редко, сдвижную крышку у отсека питания можно не делать. Так как полистирол может вполне ощутимо ослабить ионизирующее излучение (см. приложения 6 и 7), в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, делают сквозной вырез, который можно перекрыть лишь редкой решеткой. Такими же решетками перекрывают и акустические вырезы в передней панели и в крышке прибора. В «Стороже-Р» можно использовать не только счетчики Гейгера типа СБМ20. Годятся, без заметных изменений потребительских свойств и каких-либо переделок прибора, счетчики типа СТС5, СБМ32 и СБМ32К. Но существуют счетчики Гейгера, способные значительно увеличить общую и спектральную чувствительность прибора. Например, СБТ7, СБТ9, СБТ10А, СБТ11, СИ8Б, СИ13Б, СИ14Б. Все они имеют тонкие слюдяные «окна» и обладают высокой чувствительностью не только к гамма- и жесткому бета-, но и к мягкому бета-излучению (а СБТ11 - и к альфа-излучению). Правда, их конфигурация потребует внесения существенных изменений в конструкцию корпуса прибора, в общую его компоновку. Для некоторых из них потребуется и коррекция порога тревожной сигнализации. Информация по счетчикам Гейгера отечественного производства, которые могут быть использованы в самодельных приборах радиационного контроля, приведена в приложении 4. Ничто, кроме растущих габаритов и стоимости, не может помешать ставить в «Сторож-Р» и несколько счетчиков Гейгера (их включают параллельно) - для увеличения общей и спектральной чувствительности прибора. Прибор не требует наладки - правильно собранный, он начинает работать сразу. Но есть в нем два резистора, номиналы которых потребуется, возможно, уточнить.


Это резистор R5, с помощью которого частоту звукового генератора выводят на частоту механического резонанса пьезоизлучателя (их значительное несовпадние сказывается на громкости щелчка). И резистор R8, определяющий порог тревожной сигнализации (порог повышается при увеличении сопротивления R8). Коррекция порога может потребоваться не только при использовании счетчика, существенно отличающегося от СБМ20 радиационной чувствительностью, но и при перенастройке прибора для работы в условиях повышенного радиационного фона, в условиях, например, уже состоявшегося радиационного загрязнения местности. «Сторож-Р» прост в обращении и не требует от владельца какой-либо специальной подготовки. Редкое пощелкивание акустических импульсов, следующих друг за другом без видимого порядка, отсутствие тревожной сигнализации (вспышек светодиода) говорят о том, что прибор находится в условиях естественного радиационного фона. Это фоновое пощелкивание почти не зависит от времени суток; сезона и местоположения прибора, несколько замедляясь лишь глубоко под землей и ускоряясь в высокогорье. Увеличение скорости счета при перемещении прибора, а тем более появление тревожной сигнализации, с очень высокой вероятностью означает, что прибор входит в поле источника радиации искусственного происхождения. Рефлекторное стремление человека покинуть это место - совершенно уместная здесь реакция (удаление от источника - лучший вид радиационной защиты, удаление источника - лучшая дезактивация). Но можно это сделать и чуть позже, предварительно установив местоположение источника, его связь с тем или иным видимым предметом. Поскольку «Сторож-Р» имеет максимальную чувствительность со стороны своего «окна» — выреза в стенке корпуса, примыкающей к счетчику Гейгера, эта процедура напоминает радиопеленгацию. Направление на источник может быть установлено и приближением к нему: источник находится в направлении, на котором скорость счета растет максимально быстро. При поиске источников, имеющих значительно меньшие размеры, нежели сам счетчик Гейгера, рекомендуется проводить сканирование подозрительных мест: перемещать прибор, меняя направление его движения и ориентацию.


Таким образом положение невидимой простым глазом «горячей» Частицы, например, определяется с точностью до 2...3 мм. Однако все это может показаться недостаточным. Хотелось бы знать - опасно обнаруженное или нет. Внесем ясность: на этот вопрос не отвечают, не могут ответить и, возможно, не смогут это сделать никогда дозиметрические приборы любых типов. Рецепта отделения «опасного» от «безопасного» в сколько-нибудь сложных случаях - а взаимоотношения живого с радиоизотопами загрязнений относятся к наисложнейшим - может не быть вообще, во всяком случае - рецепта простого, реализацию которого можно было бы передоверить прибору. Но и это - если «безопасная» радиация существует хотя бы в принципе. К сожалению, в многолетних поисках она так и не была обнаружена. Можно было говорить лишь о большем или меньшем ее вреде. И в цивилизованных странах от идеи существования подпороговой радиации - радиации, воздействие которой совершенно компенсировалось бы какими-то защитными механизмами организма, - отказались. Отказались давно, в США, например, в 1946 году. Минимизация облучения человека - этическая норма в обращении с источниками ионизирующего излучения. К различным ведомственным нормам, принимающим в качестве допустимых уровни, значительно превышающие естественный радиационный фон, следует относиться как к попыткам найти баланс, взвесив на универсальных весах хозяйственника стоимость защитных мер - с одной стороны - и потери общества от радиационного поражения - с другой. «Сторож-Р» отличается от большинства теперь уже многочисленных разновидностей бытовых дозиметрических приборов прежде всего тем, что практически полностью устраняет опасность случайного облучения своего владельца. Работая в непрерывном режиме, почти не мешая другим занятиям (любой фон, как признак стабильности ситуации, легко «уходит» в подсознание человека), он мгновенно обращает его внимание на сколько-нибудь заметное изменение радиационной обстановки (другая, столь же фундаментальная особенность нашего восприятия окружающего). Особенно эффективен «Сторож-Р» в обнаружении компактных радиационных образований - начальной фазы почти любого радиационного загрязнения.


К сожалению, в этой фазе своего существования (наиболее доступной, кстати, для дезактивации) они попадают в поле зрения служб радиационного контроля лишь в виде исключения: даже самая совершенная, но находящаяся в отдалении аппаратура физически не в состоянии обнаружить такого рода источники. Порог тревожной сигнализации в приборе выставлен так, чтобы под ним оказался бы естественный радиационный фон с почти всеми возможными его отклонениями от среднего значения. Лишь очень немногие причины, не связанные с источниками радиации искусственного происхождения, могут вывести «Сторож-Р» в режим тревожной сигнализации**. Но «Сторож-Р» может быть полезен и в условиях уже состоявшегося радиационного загрязнения местности. Выявление точечных источников и высокоактивных «пятен» на новом, техногенном фоне может оказаться делом даже более актуальным: опыт показывает, что радиационные загрязнения в таких местах отличаются чрезвычайной неравномерностью. «Сторож-Р» - во многих своих прототипах и модификациях испытывался и находил применение в самых разных регионах нашей страны и за рубежом на протяжении последних сорока лет. С его помощью легко обнаруживались выброшенные «светящиеся» элементы старых приборов и радиоактивные ампулы пожарных датчиков, «горячие» частицы Чернобыля на предметах обихода и уже циркулирующие в кроветоке человека радиоактивные образования, высокоактивные минералы и окаменелости в музеях и коллекциях и продукты питания, миновавшие тройной (как утверждалось) казенный контроль, «освещающие» прохожих ускорители НИИ и радиоактивная «грязь» в медицинских учреждениях. И многое, многое другое... Но куда чаще «Сторож-Р» снимал необоснованные страхи и подозрения - то, что с долей пренебрежения называют радиофобией, а на самом деле являющиеся нормальной реакцией человека на безличное, «среднестатистическое» к нему отношение. *) Или, что то же, СБМ-20. В заводской маркировке дефис нередко отсутствует (это относится и к счетчикам других типов).

**) Среднее значение естественного радиационного фона на уровне моря близко к 15 мкР/ч.На высоте 1 км фон вырастает примерно вдвое, на высоте 10...12 км - в 10...15 раз. На земном шаре есть несколько мест с аномально высоким уровнем есте- ственного радиационного фона. В 2...4 раза он завышен в некоторых районах Франции, Бразилии, Индии, Египта и почти в 10 раз - на острове Ниуэ в Тихом океане. Причина таких аномалий - особенности местных геологических структур, их радионуклидный состав.

Автомат «вечерний свет»

Остающиеся темными по вечерам окна в квартире или на даче нередко беспокоят уехавших хозяев как совершенно очевидный для всех (в том числе и непрошеных «гостей») признак их отсутствия. На рис. 91 приведена принципиальная схема несложного электронного автомата, способного самостоятельно включать и выключать освещение в пустующем помещении.

Здесь DD1 и DD2 - микросхемы часового генератора, a DD3 - счетчик часов, работающий в суточном цикле. Особое время в этом цикле - назовем его экспозицией - формирует дешифратор, составленный из элементов VD1, VD2, DD4.3 и DD4.4.

Силовая часть автомата - диодный мост VD6-VD9, тиристор VS1 и управляющие его включением транзисторы VT2 и VT3 - стала уже классической и подробного описания не требует.

На стабилитроне VD5 формируется напряжение питания как транзисторов автомата (здесь оно пульсирующее), так и его микросхем.

Связь часов с силовой частью автомата осуществляется через транзистор VT1: если он открыт, то тиристор остается запертым в любой фазе сетевого напряжения; если заперт, то тиристор открывается в начале каждого полупериода с минимально возможной здесь отсечкой-задержкой.

Суточный цикл в счетчике DD3 организован с помощью элементов DD4.1 и DD4.2: при появлении напряжения высокого уровня на выходах «8» и «16» счетчика DD3 (позиция, соответствующая 24 часам) на выходе DD4.2 формируется импульс,-возвращающий этот счетчик в исходное состояние. Длительность этого импульса (~2 мкс) зависит от емкости конденсатора С4.

В исходное, нулевое состояние все счетчики автомата переводят нажатием кнопки «ПУСК». Длительность импульса общего сброса - всех счетчиков автомата - зависит от постоянной R4C5 и составляет примерно 0,5 мс. Постоянная R3C3 такова, что значительно более короткие «суточные» импульсы с выхода DD4.2 на R-входы микросхем DD1 и DD2 не проходят.

Рис. 91. Автомат «Вечерний свет»

Гальваническая батарея GB1 - типа 4РЦ-53. Она нужна лишь для сохранения заданной ритмики автомата при длительном отсутствии напряжения в сети.

Все элементы автомата, за исключением тиристора, монтируют на общей печатной плате.
Тиристор устанавливают на теплоотвод - 3-миллиметровую дюралюминиевую пластину площадью 20...25 см^2. Особое внимание следует уделить размещению резистора R13 - самого высокотемпературного элемента автомата. Он, как и теплоотвод тиристора, должен находиться в возможно более активном воздушном потоке. Лучше - на его выходе, с тем, чтобы уменьшить подогрев других элементов. Гальваническую батарею, во избежание последствий ее разгерметизации, устанавливают в специальном отсеке в нижней части автомата. Хотя опыт показывает, что в хороших электрических сетях надобности в буферном питании практически не возникает. К кратковременным исчезновениям напряжения в сети автомат вообще нечувствителен: медленный разряд конденсатора С6 обеспечивает нормальную его работу в течении 10...20 с. Поскольку автомат имеет непосредственный контакт с электрической сетью, его монтируют в корпусе, не допускающем прикосновения к токоведущим частям автомата. Например, в коробке из-под слайдов (габариты 94х54х30 мм), изготовленной из ударопрочного полистирола. На корпусе не должно быть, конечно, доступных для прикосновения металлических деталей - головок крепежных винтов и др. Автомат не требует наладки - правильно собранный, он начинает работать сразу. Рекомендуется лишь проконтролировать напряжение питания микросхем в режиме работы автомата под нагрузкой: оно должно быть выше напряжения буферной батареи (с тем, чтобы и в этом режиме ее энергия не расходовалась). Если оно окажется меньше 5 В, нужно несколько увеличить сопротивление резистора R9. Поскольку все элементы работающего автомата находятся под сетевым напряжением, подготовку любого эксперимента - от пайки до подключения вольтметра - следует вести, лишь предварительно отключив автомат от сети (оба провода). Пользоваться осциллографом не рекомендуется. Автомат предельно прост в обращении. Его включают последовательно с нагрузкой - настольной лампой или люстрой (общая мощность - не более 200 Вт) и примерно за четыре часа до наступления сумерек нажимают кнопку «ПУСК».


Это все. Через четыре часа (точнее - 3 часа 59 минут) автомат включит свет, а еще через четыре - выключит его. Через сутки, в те же часы, он все это повторит. И так - каждый день*. Такого рода автоматы могут иметь и иное применение. Нетрудно указать ряд ежедневных рутинных работ, в которых участие человека невозможно, нежелательно или обременительно. Это может быть ночной подогрев теплицы, предутренний - воды в доме без горячего водоснабжения, регулярная вентиляция хранилища, вечерний полив огорода (электронасос), кормление животных, птицы, рыбы (электромеханический дозатор) и многое другое. Не говоря уж об использовании подобных устройств в тех или иных областях профессиональной деятельности человека. В тех же лабораторных исследованиях, где однообразные, регулярно повторяющиеся процедуры занимают нередко большую часть времени. Описанный автомат имеет четырехчасовую задержку первого включения и четырехчасовую ежесуточную экспозицию. Такой порядок задает закоммутированный в нем дешифратор (на рис. 91 он выделен штриховой линией). С другим дешифратором (рис. 92, а) это соотношение было бы иным: задержка первого включения - 9 ч, ежесуточная экспозиция - 1 ч. А автомат с дешифратором, изображенным на рис. 92, б, активизировался бы два раза в сутки: с 7 до 8

Рис. 92. Дешифраторы автомата и с 23 до 24 часов (0 - время старта). Могут быть, конечно, закоммутированы и другие последовательности активных и пассивных часов работы автомат? (их общее число 2^24=16 777 216), выбор здесь ограничен лишь приемлемой сложностью дешифратора. *) Если вход С (выв. 1) счетчика DD3 переключить с выхода М (выв. 10) счетчика DD2 на выход М счетчика DD1, это ускорит работу автомата в 60 раз, «сожмет» его сутки в 24 минуты. Этот проверочный режим может быть удобен, в частности, в экспериментах с дешифраторами.

Автономное питание вибрационных микрокомпрессоров

Для аэрации воды в аквариуме обычно используют вибрационный микрокомпрессор, питающийся от сети переменного тока. Но его нетрудно переделать и для работы от аккумулятора.

На рис. 110 приведена принципиальная схема устройства, преобразующего энергию 12-вольтного аккумулятора в источник переменного напряжения, питающего микрокомпрессор.

В связи с тем, что напряжение на выходе преобразователя представляет собой 6-вольтный меандр, обмотка микрокомпрессора должна быть перемотана. Новая обмотка в микрокомпрессоре МК-Л2 содержит 305 витков провода ПЭВ-2 0,35 (вообще: число витков уменьшают в 220/6, а диаметр провода увеличивают Ц220/6 раз, если номинальное напряжение питания компрессора 220 В).

Нормальной нагрузкой преобразователя является один компрессор типа МК-Л2 или два - МК-2. В таком случае транзисторы VT4 и VT5 могут быть установлены без теплоотводов.

Преобразователь имеет единственную регулировку - подстроечный резистор R2, которым выставляют частоту генерации. Лучше это делать, наблюдая микрокомпрессор в работе: прокачка воздуха

Рис. 110. Преобразователь для питания вибрационных микрокомпрессоров

достигает максимума при совпадении собственного резонанса компрессора с частотой генератора. Кстати, эта частота может отличаться от 50 Гц. Ток, потребляемый преобразователем с одним МК-Л2 в нагрузке, - 0,3 А.

Перемотанный микрокомпрессор может работать и от сети переменного тока, но через понижающий трансформатор 220/6,3 В.

Многолетняя эксплуатация таких преобразователей (они использовались для аэрации воды в больших аквариумах в полевых условиях) показала высокую их надежность.

Боятся ли комары ультразвука?

И не только комары. От многих окружающих нас насекомых и более крупных тварей нам хотелось бы держаться подальше. Но так как это не всегда в нашей власти, то человек ищет способы хотя бы удерживать эту напасть на некотором от себя расстоянии. В последнее время большие надежды стали возлагать на разного рода ультразвуковые «пищалки», в том числе и на made in.... Ниже описано такого рода устройство. А в какой мере оно окажется эффективным, каждый, сделавший его, сможет выяснить и оценить сам.

Принципиальная схема ультразвуковой «пищалки», способной работать в широком спектре частот, показана на рис. 93. Здесь ВА1 - мощная высокочастотная динамическая головка, например, 6ГДВ-4, - источник акустических колебаний. Хотя по паспорту высшая частота излучения высокочастотных динамических головок может быть отнесена лишь к «ближнему» ультразвуку, опыт показывает, что они являются вполне эффективными излучателями частот до 40...50 кГц и выше.

Задающий генератор устройства собран на инверторах DD1.1 и DD1.2. Остальные элементы этой микросхемы формируют базовые токи в транзисторах VT1...VT4, попеременно, с частотой

Рис. 93. Ультразвуковое «пугало»

F@1/2(R2+R3)C1,.подключая излучатель ВА1 к источнику питания. В одном полупериоде - через открытые транзисторы VT1 и VT4, в другом - через VT2 и VT3.

Транзисторы генератора работают в ключевом режиме и в теплоотводах особенно не нуждаются. Хотя в тяжелых температурных условиях они могут потребоваться. Диод VD1 - любой германиевый.

Нужную частоту излучения (какую именно - предстоит выяснить в «живом» эксперименте) устанавливают резистором R3, Его можно снабдить заранее проградуироваиной по осциллографу шкалой. При указанных номиналах R2, R3 и С1 генератор перекрывает диапазон 16...60кГц.

Источник питания ультразвукового генератора должен быть способен отдать ток Iпотр=(Uпит-2)/Rн(Iпотр - в амперах, Uпит- напряжение питания «пищалки» - в вольтах, Rн - в омах).

Конечно, для тварей разных видов нетерпимые или пугающие их частоты могут быть и будут, скорее всего, разными.
Но создание многочастотного «пугала» •- с «плавающими» или «прыгающими» частотами, с той или иной их модуляцией-манипуляцией - не проблема. Главное - в прямом эксперименте установить те параметры ультразвука, при которых достигается существенный эффект. В связи с этим заметим, что в ультразвуковых «пугалах», появившихся на наших рынках, почти всегда используется пьезоизлучатель - элемент с ярко выраженными резонансными свойствами. Так что заграничный аппарат, пугающий (если верить рекламе) на своей частоте какую-то разновидность, скажем, тайваньского комара, на наших* может не произвести никакого впечатления. И, похоже, не производит... *) Энтомологи насчитывают не менее 500 видов комаров. Вот лишь некоторые из «наших»: пискун, обыкновенный малярийный, лесной малярийный, дергун, мохнатоусый дергун (хорошо известный рыболовам и своей личинкой - мотылем), желтолихорадочный и др. Еще больше разновидностей у мошки - переносчицы сибирской язвы, сапа, тулерямии, чумы, проказы и т.п.

Датчик «мокрые пеленки»

Сколько-нибудь продолжительное пребывание малыша в мокрых пеленках может ему лишь повредить: опрелости, другие повреждения кожи при этом почти неизбежны. Однако далеко не каждый малыш оповещает своих родителей о случившемся. Так что...

Принципиальная схема прибора приведена на рис. Ill, а. Здесь Э - собственно датчик - два перфорированных металлических электрода размером 15х40 мм (рис. Ill, б), разделенные несколькими слоями сухой марли и скрепленные резиновым кольцом. Электроды связывают с размещенной поблизости электронной частью прибора витой парой или тонким экранированным проводом.

Рис. 111. Датчик «мокрые пепенки»

Входной каскад устройства выполнен на транзисторе VT1. Транзистор закрыт и напряжение на его коллекторе близко к нулю, если межэлектродное сопротивление R превышает пороговое Rпор@60(Uп-1), где R- в килоомах, Uп - в вольтах. Транзистор VT1 переходит в режим насыщения и напряжение на его коллекторе становится близким к +Uп при Rэ < Rпор.

На микросхеме DD1 собран звуковой генератор тревожного звучания. Он остается в невозбужденном состоянии, если транзистор VT1 закрыт, и возбуждается, формируя тревожный акустический сигнал, если VT1 открыт.

В какую часть запеленутого младенца следует «вмонтировать» электроды, решат родители. Важно лишь проследить за тем, чтобы подходящие к ним проводники были размещены от него в стороне и так, чтобы ни при каких обстоятельствах он не мог в них запутаться. При каких-либо сомнениях на этот счет это соединение делают легко обрывающимся, например, проводом ПЭВ-2 0,1.

Конструкция электродов может быть, конечно, и другой. Важно лишь, чтобы они были безопасны для ребенка, имели достаточную площадь (это выясняют в прямом эксперименте) и допускали стерилизацию.

Источником питания прибора может служить любая гальваническая батарея напряжением 9...6 В. Ток, потребляемый им в дежурном режиме, не превышает нескольких микроампер, в режиме тревогименее 3 мА...

Двухтональная сирена

В качестве источника мощного звукового сигнала в современных охранных системах используют, как правило, довольно дорогие пьезосирены. Но мощный звуковой излучатель можно построить и из общедоступных элементов.

Принципиальная схема двухтональной сирены приведена на рис. 86. Акустический излучатель ВА1 - низкоомная (Rн=4...8 Ом), достаточно мощная (4...5 Вт) динамическая головка, - включен в диагональ моста, образованного транзисторами VT1... VT4. Два тональных RC-генератора (DD1.2, DD3.2 и DD1.3, DD2.1) и один коммутирующий (DD1.1, DD3.1) формируют сигнал тревожного звучания. При таких номиналах во времязадающих RC-цепочках частоты тональных генераторов будут близки, соответственно, к 1 кГц и 500 Гц, а их смена будет происходить с частотой около 2 Гц.

Другие элементы микросхем DD2 и DD3 входят в блок управления транзисторами. Если на вход «Сигнал» подано напряжение низкого уровня (~0 В), то все транзисторы переходят в закрытое состояние,

Рис. 86. Двухтональная «сирена»

а генераторы выключаются; если высокое (близкое к +Uпит - напряжению питания сирены), то включается коммутирующий генератор и, в зависимости от его фазы, один из тональных. И на выходе элемента DD2.2 возникает меандр той или иной частоты.

В этом режиме транзисторы VT1...VT4 открываются попеременно парами - либо VT1 и VT4, либо VT2 и VT3. Поскольку работают они в ключевом режиме, то амплитуда напряжения на нагрузке ВА1 будет близка к Uпит-2Uкэ нас, где Uкэ нас - напряжение насыщения транзистора (в транзисторах КТ972 и КТ973 Uкэ нас@1В).

Частоты тональных генераторов могут быть, конечно, и другими: изменяя номиналы R5, С2 и R8, СЗ, можно «двигать» их в очень широких пределах. Один из тональных генераторов целесообразно выставить на частоту механического резонанса акустической системы (а при двухпиковом ее резонансе - и оба). Варьируя величины R3 и С1, можно изменить и темп смены тональных посылок.

Ток, потребляемый «сиреной» в режиме молчания, Iпотр.деж <2 мкА. В режиме тревожной сигнализации он зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки: Iпотр.тр =(Uпит -2Uкэ нас)/Rн , где Iпотр.тр - в амперах, Uпит - в вольтах, Rн - омах.

Напряжение питания «сирены» может быть и выше указанного, но не выше допустимого для микросхем (для микросхем серии К561 Uпит max=15 В).
В таких случаях транзисторы рекомендуется ставить -на хорошие теплоотводы и использовать динамические головки с Rні8 Ом.

Рис. 87. Выходной каскад «сирены» (вариант) Если такие или подобяые им транзисторы (образующие мощные комплементарные пары и имеющие коэффициент усиления по току h21э>750) приобрести не удается, то блок транзисторных ключей можно выполнить так, как показано на рис. 87. Транзисторы серий КТ315 (VT1, VT4) и КТ361 (VT5, VT8) могут быть с буквенными индексами Б, Г, Е. Динамическую головку, источник питания (например, аккумулятор 10НКН-3,5 или герметичный кислотный), электронную часть сирены рекомендуется разместить компактно, чтобы свести к минимуму потери в соединительных проводах (при растянутых коммуникациях их сопротивление может быть сопоставимым с Rн). К тому же помещенная в прочный металлический футляр, укрепленный в труднодоступном месте, такая сирена окажется и «криминальноупорной».

Экономичный стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения - по самому своему назначению узел вспомогательный - в микромощных устройствах нередко оказывается основным энергопотребителем. На рис. 123 приведена принципиальная схема стабилизатора, обладающего малым собственным энергопотреблением.

Его основные параметры:

Напряжение на выходе Uст	.5...10 В
Минимальное напряжение на входе Uвх min	Uст+(0,03...0,1) В
Потребляемый ток	30...50 мкА
DUст/DUвх	0,03%
DUст/DT	0,3%/ °с

Отличительная особенность стабилизатора - бестоковое формирование опорного напряжения: в качестве своего рода «стабилитрона» в нем использован п-канальный полевой транзистор с изолированным затвором, работающий в режиме обогащения. Транзистор резко изменяет свою проводимость при напряжении на затворе, близком к пороговому.

Стабилизатор имеет динамический самозапуск: при подключе нии источника питания транзистор VT1 открывается как ключ на время t@R2·Cl. Оно должно быть достаточным для того, чтобы напряжение на конденсаторе С2 достигло 3...3,5 В. Запуск будет устойчивым во всех режимах, если R2·C1>(2...3)Rи·C2, где Rи - внутреннее сопротивление источника питания в состоянии, близком к истощению.

Ток нагрузки стабилизатора может изменяться в достаточно широких пределах - от нескольких десятков микроампер до 20...30 мА.

Рис. 123. Экономичный стабилизатор напряжения

Его предельные значения зависят в основном от теплового режима и тока Iк0 транзистора VT1.

Сопротивление изоляции конденсатора С1 должно быть не менее 50 МОм. Выводы незадействованных транзисторов в DD1 можно оставить свободными.

Стабилизатор способен работать и в обычном режиме статического самозапуска, В этом случае надо лишь зашунтировать транзистор VT1 резистором (на схеме - RS), Его сопротивление рассчитывают, исходя из неравенства;

Rн[(Uвх max/Uст) -1]<R8 < Rн[(Uст/3,5)-1], где Rн - сопротивление нагрузки, кОм; Uвх max- напряжение свежего источника питания, В; Uст - напряжение на выходе стабилизатора, В.

Так, при Uвх max=9 В (свежий «Корунд»), Uст=6 В и Rн=4 кОм (гетеродин приемника) имеем 2 кОм < R8 < 2,85 кОм, и номинал шунтирующего резистора может быть любым в этих пределах. Собственный ток такого стабилизатора не превысит 0,04 мА.

Но это условие выполнимо не при любых сочетаниях Uвх max, Uст, Rн, соответственно, стабилизатор не всегда может быть переведен в режим статического самозапуска.

При статическом самозалуеке стабилизатора резистор R2 и конденсатор С1 в работе стабилизатора не участвуют и могут быть удалены. Цепь сток-исток транзистора VT2 следует разорвать, отключив вывод 12 микросхемы.

Электронная удочка-автомат

Даже самые робкие попытки переложить на электронную технику какие-то функции, которые человек привык считать «своими», а себя, соответственно, незаменимым, вызывают к себе настороженное отношение. Не в последнюю очередь это относится к любительскому рыболовству - одному из самых консервативных по своим формам увлечений человека.

Хотя трудно представить себе более интересное занятие для радиолюбителя-конструктора. Начиная от самой постановки возникающих здесь задач, от «алгоритмизации интуиции», до испытания придуманного. И не в виртуальном пространстве, куда нас последнее время так настоятельно зовут, а в самом что ни на есть настоящем: под голубым небом, среди лесов и лугов, с плеском воды и рыбой без штрих-кода.

Рис. 105. Кинематическая схема удочки-автомата

Кинематическая схема устройства, предназначенного для автоматической подсечки рыбы в сложных условиях лова, показана на рис.105. Здесь: 1 - корпус, в котором размещена вся электронно-механическая «начинка» автомата; 2 - плоская пружина, главный движитель автомата; б - подпружиненное коромысло с зажимом 7 лески 11, образующее со скобой 4, укрепленной на изолирующей пластине 3, контактную пару; 8 - тяга с серьгой зацепа 9; 10 - вал редуктора с резьбой МЗ на конце; 12 - струбцина крепления автомата на борту или кормовом транце лодки.

Во взведенном .состоянии автомат удерживается сцепкой вала 10 редуктора с серьгой 9. Включенный двигатель способен мгновенно, за несколько оборотов ротора, разъединить эту сцепку. А вот в какой момент это произойдет - решит электроника автомата.

Алгоритм его работы прост. Первый же электрический сигнал датчика, возникающий в момент касания коромыслом 6 скобы 4, переводит автомат в активное состояние: начинается отсчет времени и счет этих пока еще неясных по происхождению касаний. Если их общее число - и помех, и поклевок - в этом активном состоянии автомата (его продолжительность задается) не достигает некоторого числа N (также задаваемого), то автомат вновь принимает исходное состояние - состояние ожидания.
Если же это число достигнуто, то включается электромотор и - подсечка. Этот алгоритм и реализуется электронной «начинкой» автомата, принципиальная схема которой приведена на рис. 106. Здесь: SF1 - контактная пара «коромысло-скоба» - датчик системы; SF2 - контактная пара «вал редуктора-серьга» (редуктор и электродвигатель ставятся на основание-изолятор); SA1 - тумблер, контакты SA1.2 которого, размыкаясь, обесточивают силовую часть автомата при его настройке, смене наживки и т.п.; SA2 - переключатель,

Рис. 106. Принципиальная схема автомата которым задают число «поклевок» - N О{l,2,3,4}; SA3 - переключатель длительности интервалов активного времени (в секундах) - Т О{2, 4, 8}. Элементы DD1.1, DD1.2, С2, R4 составляют одновибратор, устраняющий ложный счет в DD3 - в счетчике «поклевок» - от «дребезга» контактов датчика SF1. На элементах DD2.2, DD2.3 собран генератор тактовых импульсов, следующих с частотой 1 Гц. Счетчиком DD4, суммирующим эти импульсы, задается время активного состояния автомата. Сброс счетчиков, возврат автомата в исходное состояние - состояние ожидания - осуществляется импульсами «единичной» амплитуды, формируемыми элементами DD2.1 и DD1.3. Это происходит либо по окончании активного времени (при появлении напряжения высокого уровня на движке переключателя SA3), либо в начале подсечки (при разрыве контактов SF2), либо при ручном выключении автомата тумблером SA1 - замыкании контактной пары SA1.1. На элементах DD2.4, DD1.4 и транзисторах VT3, VT4 собран управляемый (по входу 2 элемента DD2.4) тональный генератор, который, возбуждая динамическую головку НА1, сигнализирует рыболову о переходе автомата в активное состояние. Транзисторы VT1 и VT2 - электронный ключ управления электродвигателем M1. Дроссель L1 в LC-фильтре наматывают на кольцевом магнитопроводе (внешний диаметр - 10...12 мм) из феррита с m=1000...2000. Его обмотка содержит 50...100 витков провода ПЭВ-2 0.2...0.3. Плоскую силовую пружину (2 на рис.105) - основной движитель автомата - изготавливают из полосы фосфористой бронзы толщиной 0,8 мм.


Ее ширина - 78 и длина (без заделанных концов) - 220 мм. Создаваемое пружиной начальное усилие при подсечке - 1,3 кг, «мах» - до 750 мм. Узел 7 - обычная клемма с отверстием для пропуска лески. Размеры контактной скобы не критичны, важно лишь, чтобы между ее контактными площадками и концом перемещающегося между ними коромысла можно было выставить нужные зазоры: минимум - 1, максимум - 10 мм. Положение коромысла по отношению к контактам скобы можно изменять натяжением или ослаблением пружин в узлах 5. Общая механическая прочность всех этих элементов должна быть достаточно высокой, так как они «держат» рыбу. Во всяком случае 10...15-килограммовые рывки и удары они обязаны переносить без последствий. Винт-ось, на котором качается коромысло, должен оказывать ему минимальное сопротивление. Спусковое устройство автомата и размещение его деталей в корпусе, склеенном из достаточно толстого (8... 10 .мм) листового органического стекла или ударопрочного полистирола в виде коробки с накладной крышкой, показано на рис. 107, а. Электродвигатель 1 - любой малогабаритный маломощный, например, от электрофицированной игрущки, имеющий на оси малую шестерню 7 диаметром 5...6 и длиной не менее 5 мм (по ней, вывинчиваясь из серьги, должна свободно перемещаться большая шестерня 4). До установки электродвигателя необходимо проверить качество изоляции его роторной обмотки - сопротивление утечки должно быть не менее 1 МОм. Подходящая большая шестерня редуктора, обеспечивающая четырех-пятикратное замедление, может найтись в той же игрушке. Другие детали спускового устройства: 6 - вал редуктора (сталь); 2-его внутренняя опора (она крепится на «дне» корпуса); 3- мягкая плоская пружина на валу, выталкивающая его наружу; 5 - бронзовый или латунный подшипник, запрессованный в стенку корпуса. Серьгу сцепа вала редуктора с тягой пружины можно выполнить по варианту, показанному на рис. 107, б. В этом случае в крышке корпуса должно быть сделано отверстие диаметром около 25 мм (его место на рис.105 отмечено стрелкой А), через которое, вращая большую шестерню редуктора пальцем, ввинчивают конец его вала в серьгу.


Это сцепка очень высокой надежности, она не подвержена практически никаким посторонним воздействиям. По другому варианту (рис. 107, в) серьгу, резьба в которой сохранена лишь в нижней
Рис. 107. Элементы конструкции части ее эллиптического отверстия, просто набрасывают на выступающий из корпуса конец вала редуктора. Подсечка начинается с появления «1» - напряжения, близкого к напряжению питания — на движке переключателя SA2. Это напряжение блокирует счетный вход счетчика DD3 (по СР; сигналы с датчика SF1 уже не смогут изменить его состояние) и открывая электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1, VT2, включает электродвигатель M1. За 8...10 оборотов его ротора узел «вал редуктора-серьга тяги» выводится из зацепления и силовая пружина, резко распрямляясь, производит подсечку. Но уже в момент разъединения этого узла (контактной пары SF2) на входе 12 элемента DD2.1 возникает «единичное» напряжение, что ведет к появлению «1» и на входе R счетчика DD3. В результате счетчик возвращается в свое исходное, «нулевое» состояние, на движке переключателя SA2 восстанавливается «0» (напряжение, близкое к потенциалу нулевой шины), транзисторы VT1, VT2 закрываются и электродвигатель, сделав лишь нужные обороты, отключается. Перезарядку автомата производят при выключенном тумблере SA1: его закороченная в этом положении контактная пара SA1.1 «держит» электронику автомата в предстартовом состоянии. Запаздывание автомата, т.е. время между появлением сигнала 1 на движке переключателя SA2 и собственно подсечкой, зависит от быстроходности и мощности электродвигателя (он может быть сильно форсирован), замедления редуктора, числа ниток вала, введенных в серьгу, смазки вращающихся частей и, конечно, состояния источника питания. В изготовленном экземпляре оно не превышало 0,2 с. Чувствительность датчика SF1 - 10 г/мм (усилие - на леске, перемещение — у контактной скобы). Она зависит от мягкости пружин коромысла. Источником питания автомата, оснащенного 4-вольтным электродвигателем (от неустановленной игрушки), может быть батарея из четырех гальванических элементов или аккумуляторов, способных при кратковременной разрядке (несколько десятых долей секунды) отдать ток 0,5...1 А.


Для форсажа электродвигателя напряжение питания может быть и более высоким. Но, конечно, не выше максимально допустимого для микросхем автомата. Описанный электронный автомат длительное время испытывался на морской экспериментальной станции Института биологии моря Дальневосточного отделения РАН (акватория островов Попова, Рейнике, Рикорда и др.). Лов велся по-преимуществу донной рыбы
Рис. 108. Оснастка автомата на глубинах до 20...25 метров. И хотя особенности морского лова - качка, смещение лодки под ветром, неровности дна, иные помехи - ставили перед автоматом достаточно трудные задачи, он практически ни в чем не уступал и опытным рыболовам. А нередко демонстрировал свое превосходство... Автомат к тому же отличался аккуратной, практически никогда не повреждающей жизненно важные ткани подсечкой. Это оказалось приятной неожиданностью, так как рыба ловилась и для пересадки в аквариум. На рис. 108 показана обычная оснастка автомата, близкая к принятой в Приморье: основная леска 0,7... 1 мм, поводки - 0,5...0,6 мм длиной 3...5 см, крючки одинарные №№10...12. Но грузило иное: стальной стержень диаметром 6...8 и длиной 250 мм и более. Такое грузило и такое его положение у дна позволяют сохранить натяжение лески почти неизменным и при заметном волнении. Но это - в дополнение к электронным «размышлениям» самого автомата. Ловля же рыбы «в полводы» вообще не представляла для него Проблемы. О реальной чувствительности автомата можно было судить по минимальному весу пойманных экземпляров - 50:..100 г. Максимальный же вес рыбы ограничивался лишь прочностью поводков.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УЗЛЫ

В этом разделе даны описания электронных приборов и узлов самого разного назначения. Функции их очевидны. «Ночной сторож» пассажира Двухтональная сирена Пьезосирена из СП-1 Автомат «вечерний свет» Боятся ли комары ультразвука? О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков Триггер из логических элементов Электронная удочка-автомат Преобразователь для питания люминесцентных индикаторов Автономное питание вибрационных микрокомпрессоров Датчик «мокрые пеленки» О включении ЗП Электронный «кубик» Регулятор яркости в торшере Зарядное устройство Электронный «самописец» Телефонный блокиратор Прибор для проверки зрения Экономичный стабилизатор напряжения

 

Электронный «кубик»

Монеты, кости, барабаны, различные экзотические механизмы с шарами и пр. хорошо известны по многочисленным лотереям, играм, жеребьевкам и т.п. Их назначение состоит прежде всего в том, чтобы в процедуре, исключающей приоритет, выбрать одно событие из N равновозможных. Но устройство такого назначения может быть выполнено и без применения механических средств*.

На рис.115 приведена принципиальная схема электронного датчика случайных чисел, в котором NО{2, 3,..., 62, 63} - т.е. N может быть любым числом из этого множества.

Элементы DD4.1 и DD4.2 составляют триггер. При нажатии кнопки SB1 он переходит в состояние, при котором на выходе элемента DD4.1 появляется 1 — напряжение высокого уровня. Оно сохраняется до тех пор, пока импульс с выхода элемента DD5.2, возникающий в момент отпускания кнопки, не возвратит триггер в исходное состояние.

Элементы DD4.3 и DD4.4 и кварцевый резонатор ZQ1 составляют генератор, возбуждающийся при появлении напряжения высокого уровня на входе (выв. 13) элемента DD4.3. Десятичный счетчик, выполненный на микросхемах DD1 и DD2 и работающий синхронно с двоичным счетчиком DD3, - демонстрационный: его состояние отображает табло, составленное из люминесцентных индикаторов HG1 и HG2. Резистор R6 и набор диодов VD1...VD6 составляют конъюнктор — схему, реализующую логическую функцию «И». Какие именно входы этого «И» будут активизированы, зависит от перемычек на контактном поле XX. В соответствии с «весами» разрядов счетчика DD3 этими перемычками выставляют желаемую величину N.

Так, задействованный на схеме набор перемычек соответствует N=4+32=36. Легко видеть, что при переходе счетчика DD3 в состояние «36» (100100) на выходе элемента DD5.4 возникает импульс, возвращающий все счетчики устройства в исходное состояние. Этому состоянию будут соответствовать «0» на всех выходах счетчика DD3 и «1» на тех выходах демонстрационных счетчиков DD1 и DD2, которые потребуются для изображения символа «0» на индикаторах HG1 и HG2. При N=36 последовательность состояний в счетчиках будет: 0, 1, 2,..., 34, 35, 0, 1, 2,...

На рис. 115 справа внизу показаны и некоторые другие позиции контактных перемычек на поле XX.

Каков принцип формирования случайных чисел в этом автомате? При нажатии кнопки SB1 включается генератор и счетчики делают множество «оборотов» - полных по модулю N циклов.
При отпускании кнопки счет прекращается и на счетчиках остается «хвост» - младшие разряды общего числа импульсов, поступивших за это время на их С-входы. Они и высвечиваются на табло. Процедура похожа, очевидно, на бросание монеты. В устройство могут быть, конечно, внесены изменения. Люминес- центные индикаторы можно заменить светодиодными, подключив

Рис. 115. Электронный «кубик» их сегменты к выходам демонстрационных счетчиков так, как это показано на рис. 116. Кварцевый генератор тоже не обязателен. Его может заменить RC-генератор, возбуждающийся на частоте не менее 25 кГц (кварцевый резонатор заменяют конденсатором емкостью 2000 пФ, сопротивление резистора R4 уменьшают до 2...3 кОм). Конечно, не предел здесь и N=63. Заменив шестиразрядный счетчик DD3 более длинным (например, двенадцатиразрядным К1561ИЕ20) и дополнив диодно-резисторный «И» еще одним диодом, можно довести N до 99. А введя еще один демонстрационный счетчик и индикатор (на «сотни») и увеличив общее число диодов в «И» до десяти, можно построить «кубик» с тысячью «граней» (N=999). Электронный «кубик» не требует наладки. Но в равновероятности генерируемых им чисел полезно убедиться, набрав многочисленными пробами достаточный для этого материал. Одно из возможных применений такого генератора - формирование кодового числа для охранной системы. Установив N=10 и «бросив» электронный «кубик» М раз, получим М-разрядное десятичное число-код. В нем не будет никаких особенностей - ни размера обуви, ни года рождения, ни номера паспорта, ни числа «п» или «е», ни температуры абсолютного нуля, ни каких-либо других удобных для владельца - и для электронного «взломщика» тоже! — чисел. Узнать, «расколоть» полученное таким образом число можно лишь методом проб и ошибок, перебором. А такого рода попытки нетрудно обнаружить и пресечь в самом их начале. *) Важную роль в таких устройствах играет, конечно, наглядность выбора, его очевидная равновероятность. Электронные устройства в этом отношении уступают механическим. И не только в наглядности, которую так или иначе можно имитировать.В них особенно легко встраивается и непросто обнаруживается тайный приоритет.

Электронный «самописец»

Для длительной записи значений медленно меняющихся величин издавна пользуются механическими самописцами. И сегодня еще можно увидеть термограф или барограф с барабаном, медленно вращаемым часовым механизмом, и пером, что-то вычерчивающим на его поверхности. Однако в наше время такого рода задачи могут решаться без применения механических средств.

На рис. 119 изображена принципиальная схема электронного «самописца». Он способен в течение суток через каждые десять минут (144 отсчета) запоминать двуразрядое десятичное число (любое из 100 возможных значений измеряемой величины) и воспроизводить записанное на своем табло.

Из того, что кажущуюся непрерывной механическую запись мы заменяем здесь дискретной электронной, вовсе не следует, что это ведет к потере точности. Ограниченная погрешностями механическая запись (уже отличающаяся от того, что должно быть записано)также не позволяет вести отсчет произвольно малым шагом. Поэтому важно лишь, чтобы принятое электронное квантование не было слишком грубым.

Запоминающее устройство (ОЗУ) «самописца» составлено из восьми КМОП- микросхем DD1-DD8. Микросхемы DD1-DD4 служат для записи младшего разряда числа в двоично-десятичном коде,

a DD5-DD8 — старшего. Адрес выбранной ячейки памяти определяется состоянием адресного счетчика DD14, DD15. Синхронно с этим счетчиком работают часы, собранные на микросхемах DD11-DD13. Показания времени выведены на табло, составленное из индикаторов HG3-HG5 (HG3 - десятки минут, HG4 - часы, HG5 - десятки часов).

Временная дискретность записи задана счетчиком DD16 с встроенным генератором, работающим на частоте кварцевого резонатора ZQ1, и счетчиком DD17. Счетчик DD18 формирует управляющие импульсы, смещенные во времени один относительно другого в пределах одного такта.

Число, считанное из ОЗУ (с выводов 13 микросхем ОЗУ), дешифраторы DD9, DD10 поразрядно преобразуют в код семисегментного индикатора. Оно высвечивается индикаторами HG1 (младший разряд) и HG2 (старший).

Управление прибором несложно. Включив питание и установив переключатель SA1 в положение «Запись», входной датчик переводят в нулевое состояние (уровень 0 должен быть на входах всех ОЗУ) и дважды нажимают на кнопки «Стирание памяти» и «Пуск» одновременно.
Длительность каждого нажатия не менее 0,15 с - этим очищают память от предыдущих записей. Затем переключатель SA1 переводят в положение «Чтение» и несколькими нажатиями кнопок SB1 и SB2 устанавливают на часах «самописца» текущее время. В этом положении проверяют состояние памяти: она чиста, если после нажатия на кнопку «Пуск» часы покажут то же самое время. Вернув переключатель. SA1 в положение «Запись» и разблокировав датчик, нажимают на кнопку «Пуск». С этого момента «самописец» начинает работать в автоматическом режиме: отсчитывает десятиминутные интервалы и в конце каждого из них записывает поступившую информацию в очередную ячейку памяти. Через сутки он прекратит запись. Установив теперь переключатель SA1 в положение «Чтение», мы увидим на индикаторах HG3-HG5 время начала записи и, нажав кнопку «Пуск», прочтем на индикаторах HG1 и HG2 значение первого отличного от нуля записанного числа, а на индикаторах HG3- HG5 - время его записи. Следующим нажатием на кнопку «Пуск» выводят на индикаторы значение и время записи следующего ненулевого числа, и так далее. Чтение циклично, т.е. от последней записи «самописец» вновь переходит к первой; таким образом содержимое памяти может быть прочитано не один раз. Перейти к чтению

Рис. 119. Электронный «самописец» записанного можно и до истечения суточного цикла записи. Преобразователь включается в режиме «Чтение» ключом, собранным на транзисторе VT3. Трансформатор Т1 изготавливают так, как описано в «Преобразователе для питания люминесцентных индикаторов» (см. с. 136). Для подавления импульсных помех, распространяющихся по цепям питания, на печатной плате прибора следует предусмотреть место для оксидного конденсатора емкостью 100 мкФ или более, и трех-четырех конденсаторов типа КМ-б 0,22 мкФ, размещенных в разных Местах платы (на рис. 119 не показаны). Многие современные измерительные приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), формируют результаты измерений в двоично-десятичном коде. При введении их в «самописец» нужно лишь обратить внимание на электрическое согласование выходов измерительного прибора и входов «самописца»: лог.


О должен представляться напряжением 0...0,4 В, а лог. 1 - напряжением, близким к напряжению питания «самописца». Источником информации может быть не только измерительный прибор с АЦП. На рис. 120 изображена принципиальная схемасчетчика, суммирующего элементарные события - замыкания контактного датчика SF1. В конце каждого десятиминутного интервала очередная сумма переписывается в память «самописца» и счетчик возвращается в нулевое состояние сигналом Uобн - коротким импульсом «единичной» амплитуды, снимаемым с выхода 4 (выв. 10) счетчика DD18 «Самописца» (рис. 119). Во избежание переполнения (циклического счета) счетчика, введена цепь VD1, VD2, R4: при появлении в DD1- DD2 числа «99» на входе 6 DD3.2 устанавливается 0 (напряжение низкого уровня на выходе 15 счетчика К176ИЕ2 устанавливается лишь в позиции «9»), прерывающий дальнейший счет. Во многих случаях информация о числе событий в единицу времени на протяжении суток может представлять определенный интерес. В варианте с контактным датчиком «самописец» использовался
Рис. 120. Счетчик событий для измерения суточной активности животных. Со счетчиком Гейгера он становился радиационным контролером, фиксировавшим колебания уровня радиации в районе своего расположения. А контролируя нейронную активность животного (на входе счетчика - усилитель с микроэлектродом), давал в руки экспериментатора количественные ее показатели. Возможны, конечно, и другие источники информации. Общее время записи и длительность временного интервала могут быть, конечно, другими. Если вход С счетчика DD17 (см. рис. 119) подключить к выходу S1 (выв. 4) счетчика DD16, то общее время записи сократится до 24 мин, а временной интервал - до 10 с. Длительность записи можно и увеличить. Заменив счетчик DD17 делителем частоты с коэффициентом деления 1440, а часы «самописца» - на календарь и соединив оба входа элемента DD21.2 с выходом 8 (выв. 11) счетчика DD15, получим прибор, способный более восьми месяцев вести ежесуточную запись. Можно значительно увеличить и объем памяти «самописца», заменив, например, микросхемы К176РУ2 на имеющие такую же структуру, но значительно более «емкие» (в 16 раз) микросхемы типа К537РУ2. Для того, чтобы при случайном отключении источника питания информация не была потеряна, рекомендуется встроить в прибор резервный источник с напряжением на 1...2 В меньше основного.Основной и резервный источники подключают к шине +9 В через диодную сборку, выполненную на германиевых диодах. Ток, потребляемый «самописцем» в режиме записи, не более 0,4 мА, в режиме чтения - 26 мА.

«Ночной сторож» пассажира

«Ночной сторож» пассажира

Забота о сохранности личных вещей и багажа в длительных переездах знакома у нас, наверное, каждому. Описываемое устройство - своего рода специализированная охранная система - может существенно облегчить жизнь пассажира.

На рис. 83 приведена принципиальная схема устройства, формирующего тревожный акустический сигнал при обрыве шлейфного датчика. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран коммутирующий генератор с частотой переключения fп@1/2R4·С2@2...3 Гц, а на DD1.3 и DD1.4 - тональный генератор, возбуждающийся на частоте fт@1/2R6·C3@1 кГц. Пьезоэлемент НА1 - нагрузка тонального генератора, GB1- гальваническая батарея.

Печатная плата устройства показана на рис. 84. Ее изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевой шины (с ней соединен «-» GB1), в местах пропуска проводников она имеет выборки - кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны).

Рис. 83. «Ночной сторож» пассажира

Рис. 84. Печатная плата «сторожа»

Места паек к нульфольге показаны черными квадратами. Квадратом со светлым кружком в центре показаны позиции проволочных перемычек, соединяющих с нуль-фольгой тот или иной фрагмент печатного монтажа.

Перед монтажом пьезоэлемента и конденсатора С4 необходимо выяснить состояние их изоляции: при напряжении Uпит ток утечки в них не должен превышать 0,5 мкА.

Все резисторы «сторожа» - типа МЛТ-0,125; конденсаторы С1 и СЗ - КМ-6, С4 - К50-35. Высота деталей не должна превышать 10 мм.

Смонтированную плату, пьезоэлемент и батарею питания крепят в корпусе 48х32х17 мм, склеенным из ударопрочного полистирола толщиной 1,5 мм. При пайке проводников к пьезоэлементу и батарее (в системах высокой надежности стремятся минимизировать число «сухих» контактов) следует пользоваться низкотемпературным припоем и хорошим флюсом - перегрев здесь нежелателен.

Шлейфный датчик представляет собой сложенный вдвое обмоточный провод ПЭВ-2 или ПЭВ-3 диаметром 0,07...0,1 мм нужной длины с половинкой двухполюсного разъема на конце.
Шлейф хранят намотанным на челнок-мотовильце. Разъем и мотовильце могут быть конструктивно объединены, так, например, как показано на рис. 85. Здесь XI - разъем от микрокалькулятора. Ответная его часть может быть смонтирована непосредственно на корпусе «сторожа», но лучше ее вынести на механически прочном двухпроводном шнуре (удобен покрытый пластиком тонкий экранированный провод), что позволит соответственно укоротить сам шлейф. Собранный без ошибок «сторож» наладки не требует. Нужно лишь убедиться в том, что потребляемый им в, дежурном режиме (т.е. с целым, не оборванным датчиком) ток не превышает нескольких микроампер, а акустический сигнал, возникающий при

Рис. 85. Шлейф на мотовильце с разъемом Таблица 14

Uпит,B	Iпотр.деж,мкА	Iпотр.тр,мА
4,5	1,5	0,3
5,0	1,7	0,4
6,0	2,0	0.6
7,0	2,4	0,9
8,0	2,7	1.3
9,0	3,1	1,7
10	3,5	2,4
11	4,0	3,0
12	4,4	3,7

  отключении шлейфа*, имеет достаточную мощность. Для возможного ее увеличения полезно уточнить сопротивление резистора R6: излучение достигает максимума при совпадении частоты тонального генератора с частотой механического резонанса пьезоэлемента. Ток, потребляемый «сторожем» в режиме тревожной сигнализации, - 0,5... 1 мА. О возможных заменах. В качестве акустического излучателя может быть взят практически любой «звуковой» пьезоэлемент. Но всетаки лучше использовать пъезоэлемент, имеющий акустический резонатор, например, ЗП-22 или ЗП-1. Такие пьезоэлементы, при прочих равных условиях, звучат заметно громче. Источником питания «сторожа» может служить любая гальваническая батарея напряжением Uпит =4,5... 12 В. Но нужно иметь в виду, что с увеличением напряжения питания увеличивается ток дежурного режима Iпотр.деж и Iпотр.тр - ток, потребляемый «сторожем» в режиме тревожной сигнализации (см. табл. 14). Зато с увеличением Uпит увеличится и громкость тревожного сигнала. Замены могут сказаться, конечно, на габаритах устройства. «Сторож» с шлейфным датчиком, умно прошивающим охраняемое, ставит перед тайным похитителем практически неразрешимую задачу. *) Поскольку оборванный шлейф обычно не ремонтируют (в дорожных условияхво всяком случае), нужно иметь с собой несколько полностью смонтированных шлейфных датчиков.

О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков

О «дребезге» и «шорохе» контактных датчиков

Разного рода выключатели, переключатели и т.п., не вызывающие никаких особых нареканий в обычной электротехнике, для

Рис. 94. «Дребезг» в контактном датчике (КД)

подобных же операций в электронике оказались практически непригодными.

Во всяком случае - в прежнем их виде. Причина - в «дребезге» и «шорохе» контактных пар, в немонотонном изменении их контактного сопротивления при переключениях и в соединениях. Так, например, замыкание кнопки SF в схеме, показанной на рис. 94, а, почти наверняка приведет к тому, что в быстродействующий счетчик DD будет записана не одна единица, как полагалось бы, а столько, сколько спадов (переходов 1 ) окажется в «дребезговой» пачке импульсов (рис. 94, б). Такая неопределенность в электронных устройствах, как правило, недопустима.

Устранить возможные неприятные последствия этого эффекта в рассмотренном выше случае позволит электронный формирователь, схема которого приведена на рис. 95. Он представляет собой одновибратор, переходящий в новое состояние при появлении первого же спада напряжения в «дребезговой» пачке импульсов. Длительность его пребывания в этом состоянии - tф@R3·C2 - должна быть больше tдр max - самого продолжительного «дребезга».

На рис. 96 приведена схема еще одного формирователя. В его основе триггер. В исходное, стартовое состояние устанавливают принудительно, подавая на его вход R импульс отрицательной полярности. После срабатывания датчика триггерный формирователь сам не восстанавливается.

Такие формирователи рассчитаны на работу с нормально разомкнутыми контактными датчиками (КД).

Схемы возможных вариантов формирователей - одновибраторного и триггерного - для совместной работы с нормально замкнутыми КД показаны на рис. 97 и рис. 98.

Рис. 95. Одновибраторный формирователь для нормально разомкнутого КД

Рис. 96. Триггерный формирователь для нормально разомкнутого КД

Рис. 97. Одновибраторный формирователь для нормально замкнутого КД

Рис. 98. Триггерный формирователь для нормально замкнутого КД

Рис. 99. Устранение высокочастотных и импульсных наводок Устраняя последствие «дребезга» КД, формирователи выполняют еще одну важную функцию. Как известно, длительность «счетного» фронта на входе С счетчика ограничена сверху - для микросхем серии К176, например, она не должна превышать 10...15 мкс. Формирователи аа счет усиления в каждом логическом элементе и положительной обратной связи имеют фронты выходных сигналов, зависящие от физического их быстродействия, и не превышают, как правило,1 мкс. Резистор R1 и конденсатор С1 во входных цепях формирователей образуют помехозащитную цепочку, которая ослабляет возможные импульсные и высокочастотные помехи до пренебрежимо малого уровня. В КМОП-микросхемах обычно принимают: R2<0,1Rиз, где Rиз - сопротивление изоляции в КД; R1=(0,01...0,1)R2; R2·C1=0,01...0,1 с; R3·C2=0,2...1 с. В условиях значительных помех такая защита может быть многозвенной, такой, например, как на рис. 99. Сложнее обстоит дело с «шорохом», с «шуршанием» нормально замкнутых КД (рис. 100, а, б). Прежде всего потому, что этот эффект,
Рис. 100. «Шорох» контактного датчика в отличие от «дребезга», не имеет временной связи с моментом переключения КД. Спонтанное, происходящее без видимых причин изменение контактного сопротивления Rконт может возникнуть в любой момент. Изменение контактного сопротивления особенно часто проявляется в КД, подвергающихся переменному механическому давлению, пусть и вполне достаточному, казалось бы, для обеспечения надежного электрического соединения. Это связано, прежде всего, с микроперемещениями контактирующей площадки, почти точки, с выходом ее на загрязненные или окислившиеся участки контактной поверхности. Особенно ощутимы флуктуации Rконт при слабом контактном давлении, не способном продавить возникший резистивный слой. Причина может быть и химической - растущий слой окиси изолятора способен со временем раздвинуть электроды КД и даже образовать в его зазоре электролитическую пару. Особенно непригоден для КД алюминий: его окись не только очень хороший изолятор, но она обладает высокой механической прочностью даже в тонких слоях. Правда, с относительно малым увеличением контактного сопротивления, даже длительным, справляется та же система помехозащиты.Важно лишь, чтобы сопротивление Rконт оставалось малым по сравнению с сопротивлением резистора R1. Кратковременное изменение Rконт, даже значительное, также подавляется помехозащитной цепочкой, но при условии, что постоянная времени R2C1 окажется больше длительности «всплеска» Rконт. Использование в КД неокисляющихся материалов, например, золота, палладия, или окисляющихся, но окисный слой которых остается в достаточной мере электропроводным, также ведет к уменьшению «шороха», к снижению вероятности того, что какая-то из флуктуаций Rконт будет принята за выключение КД. Действенным средством борьбы с «шорохом» нормально замкнутых контактных датчиков является их дублирование-параллельное включение нескольких КД: вероятность одновременного появления «всплесков» Rконт в этом случае резко уменьшается.

О включении ЗП

Для того, чтобы обратить внимание на какое-то особое состояние электронного устройства, в него вводят, как правило, тональный

Рис. 112. Парафазное возбуждение ЗП

генератор с пьезоизлучателем типа ЗП на выходе. Но при обычном включении пьезоизлучателя - между нулевой шиной и выходом тонального генератора — громкость его звучания редко бывает достаточной, особенно - в низковольтной аппаратуре.

На рис. 112 приведена схема звукового генератора с парафазньш возбуждением ЗП, при котором мощность акустического сигнала увеличивается вчетверо.

Частота генератора f@0,5·10^6/ (R1+R2)C1 (R - в кОм, С1 - в нФ, f - в Гц) регулировкой резистора R2 может быть выведена на fрез - частоту механического резонанса пьезоизлучателя, что также заметно скажется на громкости его звучания.

Собранный на логических элементах КМОП-микросхем серий К 176, К561, 564 и др., генератор может быть настроен в резонанс практически с любым пьезоизлучателем. Он быстро возбуждается, формируя, при необходимости, и 3...5-миллисекундные «щелчки».

Ток, потребляемый генератором в паузе (на входе - 0), составляет доли микроампера, при возбуждении (на входе - 1) - 1...2 мА.

Отдача ЗП заметно увеличится, если он будет отделен от возбудителя буферными элементами. Это связано с улучшением условий возбуждения генератора, уменьшением длительности его фронтов. В качестве буферных могут быть использованы свободные элементы той же микросхемы, но лучше взять КМОП-элементы с низкоомными каналами, например, инверторы микросхемы К561ЛН2 (рис. 113). Генератор с еще более низкоомным выходом можно построить так, как показано на рис. 114.

Мощность сигнала, излучаемого ЗП, возрастет еще, если последовательно с ним включить катушку индуктивности L1 (на рис. 113 и 114 показана пунктиром).

Рис. 113. Генератор с буферными элементами

Рис. 114. Генератор повышенной мощности

Если L1 выбрать так, чтобы на частоте механического резонанса возник и электрический резонанс (по электрическим характеристикам ЗП близок к конденсатору емкостью 30...100 нФ), т.е. взять L1@2,5·10^10 / (fрез^2)·Cзп где: L1 - в мГн; Сзп - емкость ЗП - в нФ, fрез - в Гц, то напряжение на ЗП может Значительно превысить напряжение питания микросхем с соответствующим увеличением излучаемой им мощности Рвых (Рвых пропорциональна квадрату напряжения, прилаженного к ЗП). Этот эффект будет особенно заметен в генераторах, имеющих малое выходное сопротивление, поскольку оно входит в последовательный L1Cзп - контур и, наряду с потерями на излучение, определяет его добротность.

Высокая цена фирменных пьезосирен, особенно

Высокая цена фирменных пьезосирен, особенно имеющих встроенный источник питания, мешает сколько-нибудь широкому их использованию в радиолюбительской практике. Но такую сирену можно сделать самому. А если дополнить ее выключателем специальной конструкции, то она найдет себе и особое применение... Основой сирены служит пьезоэлемент СП-1 (СП - сирена пьезокерамическая). Звуковое давление, развиваемое им при напряжении
Рис. 88. Пьезосирена на СП-1 возбуждения 40 В, может достигать 110 дб. На рис. 88 приведена принципиальная схема электронного преобразователя, обеспечивающего нужный для СП-1 режим работы. Здесь VT1, Т 1 и др. - низкочастотный генератор, возбуждающийся на частоте, зависящей от реактивного сопротивления пьезоизлучателя НА1 и индуктивности повышающей обмотки I трансформатора Т1. Амплитуда переменного напряжения на пьезоизлучателе Uампл@UпитN1/N2, где Uпит - напряжение питания сирены, a N1 и N2 - число витков в обмотках I и II. Акустическое излучение приобретает тревожный характер лишь после специальной модуляции монотонного сигнала. Здесь это делает электронный манипулятор - включенный в цепь питания генератора транзистор VT2. Частота его включении-выключении зависит от постоянной R4C1 генератора, выполненного на микросхеме DD1, и равна F@1/2R4·C1=5...6 Гц. Трансформатор Т1 - В 4:731.083 - выходной от транзисторного приемника. Или подобный ему с N1/N2=6...7 и выводом от середины первичной обмотки. Микросхема DD1 - К561ЛЕ5 или К561ЛА7 - может быть заменена аналогичной из серий К 176. Транзисторы VT1 и VT2 должны иметь усиление по току не менее 100 и напряжение насыщения Uкэ нас<0,3 В. При замене транзистора КТ3102Е каким-либо другим следует иметь в виду, что напряжение на его коллекторе может достигать 18...20 В. Все резисторы «сирены» - МЛТ 0,125. Конденсаторы: С1 - КМ-6; С2 - оксидный подходящих размеров, его емкость может быть и больше указанной. Диод VD1 - любой кремниевый. Если собранная без видимых ошибок сирена не зазвучала, причина окажется, скорее всего, в неправильной фазировке обмоток трансформатора.
Сирену нужно тут же выключить (потребляемый в этом режиме ток может быть опасен для транзисторов) и, поменяв местами концы одной из обмоток (1-3 или 4-5), включить снова. Можно поэкспериментировать с резисторами R1 и R2 (с трансформатором другого типа даже нужно). Но так как они являются режимными, лучше это делать под контролем осциллографа. Мощность излучаемого сиреной акустического сигнала в очень большой мере зависит от размеров и конфигурации ее корпуса, наличия в нем акустических «пазух», от места и способа крепления пьезоизлучателя и др. Но все это обычно выясняют экспериментально - акустические расчеты здесь вряд ли можно рекомендовать. Таблица 15

Uпит,B	Iпотр, мА	Uэфф, В
6	13,5	30
7	15,0	32
8	16,0	34
9	18,0	40

 
Рис. 89. Внешний вид сирены Заметим лишь, что монотонное излучение с его ярко выраженными интерференционными эффектами имеет свои особенности. Конструктивно сирена может быть выполнена так, как показано на рис. 89. Ее. габариты - 58х58х38 мм, масса - 95 г (с источником питания - батареей типа «Корунд»). Корпус склеен из ударопрочного полистирола толщиной 2...2,5 мм. Отверстия, расположенные на периферии обоймы СП-1, рекомендуется заклеить. Опыт показывает, что это заметно увеличивает громкость звучания сирены. В таблице 15 показана зависимость потребляемого сиреной тока Iпотр и напряжения на пьеэоизлучателе Uэфф (эффективное значение) от напряжения источника питания Uпит. Сирена может работать в самых разных устройствах и установках. Даже в качестве дверного звонка. Но малые размеры и вес позволяют использовать ее в не совсем обычной охранной системе. Для этого в цепь питания сирены потребуется лишь ввести выключатель, показанный на рис. 90. Здесь: 1 — нормально замкнутая контактная пара от реле; 2 — чека - тонкая пластина электроизолятора (гетинакс, стеклотекстолит и т.п.), размыкающая контактную пару 1; 3 - корпус выключателя; 4 - тяга (струна, тонкий тросик и др.), извлекающая чеку из контактной пары.
Рис. 90. Конструкция выключателя Пьезосирену с выключателем размещают внутри охраняемого предмета - в чемодане, в кармане шубы и др.Тягу пропускают сквозь подходящее или специально сделанное отверстие и соединяют с багажной полкой, вешалкой и т.п. При перемещении похищаемого чека выходит из контактной пары, включается питание сирены и похититель с «кричащим» в его руках предметом оказывается в центре внимания окружающих.

Преобразователь для питания люминесцентных индикаторов

Сегменты люминесцентных индикаторов (ИВ-3, ИВ-6 и др.) можно подключать к информационным выходам счетчиков К176ИЕ4 и К176ИЕЗ и непосредственно - при 9-вольтном питании микросхем яркость свечения индикаторов оказывается вполне достаточной. Однако для питания их накальных цепей требуется другой источник - напряжением 0,8... 1 В,способный отдать ток 40...50 мА на индикатор.

На рис. 109 приведена принципиальная схема преобразователя, позволяющего использовать для питания нитей накала люминесцентных индикаторов источник питания микросхем.

Рис. 109. Преобразователь для питания нитей накала люминесцентных индикаторов

Преобразователь представляет собой симметричный мультивибратор с трансформаторной нагрузкой. Магнитопровод трансформатора составляют из двух кольцевых сердечников М3000МН 16х10х4,5 мм. Обмотку I наматывают в два провода, она содержит 2х180 витков провода ПЭВ-2 0,12. Среднюю точку обмотки I образуют соединенные вместе конец одной ее половины и начало другой. Обмотку II - 16 витков провода ПЭВ-2 0,44 - наматывают поверх обмотки I. Обе они должны быть распределены по сердечнику равномерно. (Напомним, что феррит М3000МН имеет низкое объемное сопротивление и, будучи хорошим абразивом, легко «включается» в схему. Поэтому острые ребра сердечника нужно предварительно загладить, а затем нанести на него изолирующее покрытие.)

В таблице 16 приведена зависимость выходного напряжения Uвых, потребляемого преобразователем тока Iпотр и его КПД h от n - числа подключенных к его выходной обмотке накальных цепей люминесцентных индикаторов типа ИВ-3.

Преобразователь способен работать и от источника напряжением 5 В. Для этого нужно уменьшить число витков обмотки I до 2х100 витков провода ПЭВ-2 0,17 и изменить номиналы резисторов и конденсаторов: R1=R2=11 кОм,

Таблица 16

n	Uвых, В	Iпотр, мА	h
1	0,83	9	0,53
2	0,81	13	0,70
3	0,79	16	0,81
4	0,78	20	0,84
5	0,77	24	0,86
6	0,76	27	0,89

R3=R4=1,5 к0м, С1=С2=0,068 мкФ. Этот вариант преобразователя при тех же условиях имеет Uвых=0,83...0,73 В, Iпотр =14...46 мА, h=0,61...0,88.

Прибор для проверки зрения

Диагностически удобным признаком, позволяющим судить о состоянии зрения, является способность глаза замечать быстрые изменения тестовой «картинки» [4]*.

На рис. 122 приведена принципиальная схема светогенератора, формирующего красно-черные и зелено-черные меандры (светодиод АЛС331АМ) различной частоты, которая тут же и измеряется.

Задающий генератор прибора выполнен на элементах DD5.3, DD5.4, R3, R4, С1. Он возбуждается на частоте Fз@1/2(R3+R4)C1. Счетчик DD2 понижает F в 4 раза - этот сигнал (выв. 4) поступает на измерительный блок DD3, DD4, HG1 - и в 64 раза (сигнал на выв. 12) - до рабочей частоты самого светогенератора.

Интервал времени, на котором производится измерение частоты, - 64 мс. Он формируется генератором, частота которого задана и стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 (DD5.1, DD5.2 и др.). Счетчиком-делителем DD1 эта частота понижается до величины,

Рис. 122. Прибор для проверки зрения

при которой на выходе Q12 DDL возникает «единичный» импульс нужной длительности**.

Легко видеть, что измеряемая частота в 16 раз выше частоты следования самих «световых» меандров. Это позволило ускорить измерение, сделать его следящим (задержка менее 0,25 с).

При включении прибора все его счетчики устанавливаются в нулевое состояние импульсом, длительность которого близка R6-C2sO,5 с. Каждое элементарное измерение частоты начинается с появления на выходах Q12 и Q13 счетчика DD1 стартовой комбинации «11». Ее фронтом счетчики DD3 и DD4 устанавливаются в нулевое состояние (длительность импульса на их R-входах - R5·C3@10 мкс), а на входе элемента DD6.2 появляется сигнал «1», разрешающий счет. Это будет длиться до тех пор, пока на выходе Q12 не возникнет «0» (это произойдет через 64 мс). С этого момента и до начала следующей стартовой комбинации на табло HG1 будет демонстрироваться результат только что проведенного измерения. (Введение в стартовую комбинацию сигнала с выхода Q13 позволило увеличить длительность показа на табло результата измерения втрое.)

Переключателем SA1 устанавливают цветность меандра: либо «красно-черный», либо «зелено-черный».
Яркость свечения светодиода в обоих этих режимах устанавливают (если это представляется нужным) подбором сопротивления резисторов R10 и R11. Все постоянные резисторы в приборе - типа МЛТ-0,125; переменный R4 - линейный (тип А), с удобной ручкой . Конденсаторы С1...С4 - КМ-6 или им подобные, С5 - К50-35 и др. Транзисторы VT1, VT2 - практически любые p-n-p. Поскольку один из элементов микросхемы DD6 здесь не используется, его входы нужно соединить с «+» источника питания или с «землей». Из четырех разрядов табло ИЖЦ5-4/8 здесь используются лишь два. Это может быть, конечно, любая пара, но лучше смотрятся смежные разряды (на рис. 122 закоммутированы два младших разряда этого табло). Светодиод HL1 рекомендуется сделать выносным, смонтировав его в глубине зачерненной воронки, которую прикладывают к глазу так, чтобы светодиод оказался бы в поле центрального зрения. (Периферическое зрение, обладающее, кстати, значительно меньшей инерционностью, относится к другим «сферам» зрительного тракта и особого интереса здесь не представляет.) Инерционность нормального глаза довольно мала: красные мелькания светодиода он перестает замечать лишь на частотах 40...42 Гц, зеленые - еще на 2...3 Гц выше. Понижение частоты, при которой глаз перестает замечать мелькания, до 35...30 Гц и значительное расхождение частот для красного и зеленого - повод для обращения к врачу. *) Мы не касаемся здесь, конечно, медицинских аспектов этой диагностики. **) На самом деле здесь был бы нужен импульс длительностью 62,5 мс (1/16 с). Но ошибка (+2,5%) достаточно мала и мы ею пренебрегаем.

Регулятор яркости в торшере

Принципиальная схема регулятора показана на рис. 117. Ключевой его элемент - тиристор VS1, фаза включения которого в каждом полупериоде зависит от постоянной времени цепи (R1+R2)C1.

Устройство позволяет изменять в широких пределах яркость лампы мощностью до 200 ватт. Вообще его нагрузкой может быть любое устройство соответствующей мощности, не содержащее скольконибудь заметной индуктивности: паяльник, кипятильник и т.п..

Если диодный мост КЦ405А заменить другим, с большими рабочими токами, то нагрузку можно увеличить, в пределе - до 2 кВт. Тиристор и диоды моста в таком случае потребуется поставить на теплоотводы.

Рис. 117. Тирисгорный регулятор в торшере

Телефонный блокиратор

Поговорить с кем-то на другом краю земли за чужой счет не составляет большого труда: наши телефонные линии доступны почти кому угодно. Однако можно значительно затруднить эту форму воровства.

Очевидно, воспользоваться чужой телефонной линией не удастся, если трубка снята и владелец сам ведет телефонный разговор. Тогда напрашивается простой, казалось бы, способ защиты: на время своего отсутствия оставлять трубку телефона снятой. Но это может кончиться тем, что линия будет отключена на телефонной станции.

Можно сконструировать устройство, которое в норме не будет нагружать телефонную линию, а при криминальных подключениях к ней тут же введет в нее нагрузку, имитирующую режим снятой трубки. На рис. 121 приведена принципиальная схема такого устройства*.

В дежурном режиме работы - телефонная трубка не поднята ни на основном, ни на «криминальном» аппарате - конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до напряжения на стабилитроне VD5 (+5 В). Таким образом формируется напряжение питания микросхемы DD1. Резисторы R6 и R7 подобраны так, что напряжение на входах инверторов DD1.1, DD1.2 в этом случае достигает значения, соответствующего лог. 1, и, соответственно, напряжение на их выходах будет близко к нулю (лог. 0). На выходе инвертора DD1.4 также, очевидно, установится низкое напряжение (на входе DD1.3 - лог. 0) и транзисторы VT2 и VT1 будут закрыты. Ток, потребляемый блокиратором в этом режиме, не превышает 0,2 мА.

В режиме блокировки - при снятой трубке на любом из телефонных аппаратов - напряжение на входах инверторов DD1.1, DD1.2 уменьшится до уровня лог. 0 и на их выходах появится, соответственно, лог.1 - +5 В. В течение R9·C2=40...50 с это напряжение будет приложено и ко входу инвертора DD1.3. После двойной инверсии на выходе DD1.4 установится напряжение +5 В, которое откроет транзистор VT2, а он - транзистор-ключ VT1. В результате

Рис. 121. Блокиратор телефонного набора

телефонная линия окажется зашунтированной резистором R2 и напряжение на ней уменьшится до величины, При которой набор номера становится невозможным.

Шунтирование будет продолжаться 40...50 с. Если «криминальная» трубка остается снятой, то ничего не происходит до попытки набрать номер: первые же прерывания номеронабирателя приведут к повторному шунтированию телефонной линии. Если трубка будет опущена, то напряжение на линии достигнет 60 В и устройство перейдет в свой обычный дежурный режим.

Микросхему DD1 можно заменить на К561ЛА7, К561ТЛ1, а сгруппировав соответствующим образом «лишние» инверторы на К561ЛН2. При замене транзисторов нужно иметь в виду, что они должны быть достаточно высоковольтными: при вызывном сигнале напряжение в линии достигает 90 В и более. В качестве VT1 годятся КТ851Б, КТ3157А, КТ9115А; на месте VT2 - КТ604, КТ605, КТ850 (Б и А).

Устройство блокирует работу любого телефонного аппарата, в том числе и своего. По возвращении домой блокиратор отключают, а для борьбы с телефонными, ворами используют другие средства.

*) Блокиратор является модификацией описанного в [З].

Триггер из логических элементов

Триггер - простейший автомат* с двумя устойчивыми состояниями - один из основных элементов цифровой техники. В серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и другие обязательно входят те или иные его разновидности. Но если в арсенале радиолюбителя таких микросхем нет, триггер можно составить из других элементов. Покажем, как можно построить одну из его разновидностей - так называемый RS -триггер - из элементов, реализующих логические функции.

На рис. 101, а изображен RS -триггер, составленный из логических элементов ИЛИ-НЕ. Легко видеть, что в режиме хранения информации - при напряжениях низкого уровня (лог. 0) на входах S и R - он может находиться, в одном из двух состояний: иметь высокий уровень (лог. 1) на выходе элемента DD1.1 и низкий на выходе DD1.2 или, наоборот, низкий на DD1.1 и высокий на DD1.2.

Устанавливают триггер в то или иное состояние обычным образом: подавая на вход S или R напряжение высокого уровня. Это может быть и очень короткий, на пределе физического быстродействия микросхемы, импульс напряжения «единичной» амплитуды. Функции входов-выходов этого триггера, в «триггерном» его изображении, показаны на рис.101, б.

RS-триггер можно составить и из элементов «И-НЕ» (рис. 102, а, б). Здесь режиму хранения информации соответствует напряжение высокого уровня на входах S и R. Напряжение низкого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1. Оно же, но поданное на вход R, установит триггер в состояние 0.

Рис. 101. Триггер из «ИЛИ-НЕ»

Рис. 102. Триггер из «И-НЕ»

Рис. 103. Триггер из «И» и «ИЛИ»

Оба эти триггера составлены из так называемых шефферовых элементов, каждый из которых сам по себе обладает функциональной полнотой**. Но RS-триггер можно построить и из элементов, не составляющих функционально полной системы.

Такой триггер показан на рис. 103, а, б. Режиму хранения здесь соответствует напряжение низкого уровня на входе S и высокого - на входе R. Триггер устанавливают в состояние 0 подачей на вход R напряжения низкого уровня. Напряжение высокого уровня, поданное на вход S, переведет триггер в состояние 1.
Триггеры такой конфигурации замечательны тем, что имеют минимальную сложность в базисе И, ИЛИ, НЕ***. В практическом синтезе может возникнуть необходимость управлять триггером по нескольким, никак не связанным друг с другом S- или R-входам. Такой триггер показан на рис. 104, а, б. Это, очевидно, разновидность триггера, изображенного на рис. 101. Появление «единичного» напряжения на любом из S-входов переводит триггер в состояние 1. Оно же, но приложенное к любому из R-входов, вернет его в состояние 0. Функционально ту же многоканальность управления триггером можно было бы получить, включив на S- и R-входы триггера по многовходовому дизъюнктору. Но этот вариант бьы бы, очевидно, более громоздким.

Рис. 104. Триггере многоканальным управлением Как известно, в триггере комбинацию входных сигналов, инверсную по отношению к режиму хранения, принято запрещать. Для триггера, изображенного на рис. 101, это {S=1, R=1}. Инверсный набор входных сигналов запрещают потому, что при возвращении триггера в режим хранения - при смене {S=1, R=1} на {S=0, R=0} - он может непредсказуемо оказаться как в нулевом, так и в единичном состоянии. Это зависит от того, на каком из входов - S- или R - сигнал 1 задержится чуть дольше. Но если такой неопределенности нет и смещение спадов S- и R-сигналов известно и даже специально организовано, то накладывать безусловный запрет на SR-комбинацию, инверсную по отношению к режиму хранения, нет необходимости. Заметим в заключение, что триггеры, составленные из логических элементов, не только'позволяют обойтись без специальных, «триггерных» микросхем, но могут существенно упростить трассировку монтажа, так как «синтетический» триггер можно собрать из ближайших по месту на печатной плате свободных логических элементов. *) К автоматам относят устройства, имеющие собственную память. **) Функционально полными называют наборы логических элементов, пользуясь которыми можно реализовать любую двоичную функцию. Функционально полный набор может состоять и из одного элемента.Функция, реализуемая таким элементом, называется шефферовой. К универсальным, шефферовым относятся логические элементы, реализующие функции ИЛИ-НЕ и И-НЕ (...ЛЕ... и ...ЛА... в микросхемных сериях). ***) Принятое в работах по синтезу схем выражение «в базисе...» означает, что при создании того или иного устройства разработчик имеет право пользоваться лишь элементами, указанными в базисном наборе. Достижение требуемого результата возможно меньшим числом базисных элементов - одна из основных задач конструктора. Построение схемы, реализующей заданную функцию минимально возможным числом базисных элементов, относится к числу труднейших задач математической логики.

Зарядное устройство

Как правило, аккумулятор заряжают током I=0,1 E (I - в амперах, Е - емкость аккумулятора - в амперчасах) в течении 15 часов. Это нормальный, стандартный режим зарядки для большинства аккумуляторов*. На рис. 118 приведена принципиальная схема устройства, выдерживающего этот режим автоматически.

Здесь DD1, ZQ1 и др. - генератор импульсов, период следования которых равен 1 мин. Если элемент DD3.3 разблокирован (лог. 1 на его входе 9), то число N в счетчике DD2 будет ежеминутно увеличиваться на одну единицу. Пока N<904 (15 часов 4 минуты), на выходе диодно-резисторного дешифратора VD3-VD6, R4 сохраняется напряжение, близкое к нулю (лог. 0), на выходе DD3.4 - напряжение, близкое к напряжению питания микросхем (лог. 1), и через открытый до насыщения транзистор VT2 генератор зарядного тока (на рис. 118 он обведен штрих-пунктиром) будет подключен к +U, источника питания.

Ток Iз - зарядный ток аккумулятора - зависит от сопротивления резистора R10; Iз@2,7/R10 (Iз - в амперах, R10 - в омах). Так, если Iз=0,35 А (заряжается аккумулятор типа НКБН-3,5), то сопротивление резистора R10 должно быть: R10=2,7/0,35@7,7 Ом (мощность, которая будет рассеиваться на нем, - Pr10=(Iз^2)·R10=(0,35^2)·7,7@1 Вт). А если Iз=0,045 А (таким током заряжают аккумуляторы типа ЦНК-0,45), то R10=2,7/0,045=60 Ом (Рк10<0,25 Вт).

Рис. 118. Зарядное устройство

Зарядный ток Iз останется неизменным на протяжении всех 15-ти часов при условии, что Uип-Uак max>6 В, где Uак max - напряжение на аккумуляторе в конце зарядки. Так при зарядке 6-вольтного аккумулятора типа НКН (для его пяти банок Uак max@5·1,5=7,5 В) напряжение источника питания должно быть Uипі13,5 В (7,5+6). Однако не следует брать Uип с очень большим превышением над Uак max, так как мощность, рассеянная на транзисторе VT3 - Р=Iз(Uип-Uак) - может привести, при недостаточном теплоотводе, к его перегреву.

Процесс зарядки прекратится по достижении N=904. Напряжение низкого уровня, возникшее на выходе DD3.4, отключит генератор зарядного тока и заблокирует (лог. О на входе 9 DD3.3) канал передачи сигнала от DD1 к DD2. В этом положении зарядное устройство останется до следующего старта системы - до нажатия кнопки SB1, которое установит счетчики DD1 и DD2 в исходное состояние.

*) В этом режиме аккумулятор получает от источника 150% своей номинальной разрядной емкости.

---

---