Сигнальное устройство на дву-пороговом компараторе

Это устройство предназначено для световой и звуковой сигнализации ухода контролируемого параметра, например, напряжения, температуры, освещенности, влажности, сопротивления, за пределы заданной зоны. Оно способно не только сигнализировать об изменении параметров, но и формировать сигналы управления исполнительным механизмом. Известные подобные устройства на сдвоенных компараторах и дифференциальных усилителях [1—3] недостаточно совершенны, поскольку требуют нескольких источников питания, да к тому же и неэкономичны.

Описываемое сигнальное устройство может стать основой системы охранной сигнализации и кодового замка. Оно отличается простотой, высокой экономичностью, обладает широкими функциональными возможностями, позволяющими использовать его в быту и народном хозяйстве.

В сигнальном устройстве контроля напряжения — его принципиальная электрическая схема показана на рис. 1 — использованы особенности работы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, в частности, пороговый эффект и большое входное сопротивление микросхем структуры КМОП. Элемент DD1.2 выполняет одновременно аналоговые и цифровые функции, элемент DD1.1 — инвертор, DD1.3, DD1.4 — стробируемые инверторы, на которых собран несимметричный мультивибратор.

Положим вначале, что контролируемое напряжение, поданное на вход устройства, находится в пределах допустимой зоны, Элемент DD1.2 воспринимает входное напряжение, большее порогового, как высокий уровень, а меньшее порогового — как низкий. Для этого при номинальном входном напряжении резистором R2 устанавливают напряжение на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 больше порогового, а резистором R3 на нижнем входе меньше порогового. Тогда на выходе элемента DD1.2 будет высокий уровень, на выходе элемента DD1.1 — низкий. Транзистор VT1 закрыт, мультивибратор на элементах DD1.3 и DD1.4 заторможен. В этом состоянии устройство практически не потребляет тока.

Если контролируемое напряжение, увеличиваясь, станет больше порогового, или, уменьшаясь, окажется меньше порогового, то в обоих случаях на выходе элемента DD1.2 устанавливается низкий уровень. Элемент DD1.1 инвертирует этот сигнал, транзистор VT1 открывается, мультивибратор переходит в режим генерации. В результате включается светодиод HL1 и пьезоголовка НА1 формирует звуковой сигнал.

Таким образом, элемент DD1.2 вместе с делителем напряжения R1R2R3 образуют двупороговый компаратор напряжения.

Ширину контролируемой зоны входного напряжения выбирают резисторами R2 и R3, а резистор R1 определяет среднее его значение (при номиналах, указанных на схеме,— 15±1 В). Ориентировочно сопротивление резистора R1 можно определить из соотношения:

(если R 2=R 3),

где U_пит — напряжение питания микросхемы, U_BX — среднее значение контролируемого входного напряжения, т. е.

где U_B и U_H — верхнее и нижнее значения контролируемой зоны соответственно.

Практически контролируемое напряжение может быть в пределах от единиц до сотен и даже тысяч вольт.

Устройство удобно использовать в промышленной и бытовой аппаратуре для контроля напряжения в той или иной точке. Для этого выход мультивибратора подключают через высокоомный резистор ко входу усилителя ЗЧ аппарата, а сигнал с выхода инвертора DD1.1 подают (если необходимо) на вход более мощного устройства сигнализации или автоматического отключения.

При контроле температуры входную часть устройства собирают по схеме на рис. 2, а, а в случае контроля освещенности — на рис. 2, б. Термо-и фоторезисторы могут быть любыми, надо только приблизительно выдержать условие . Вместо терморезистора и фоторезистора можно включить датчик влажности. Устройство с этими входными цепями способно работать в самодельном холодильнике, контролировать температуру фоторастворов или воды в аквариуме, а также освещенность и влажность в теплицах, овощехранилищах.

Входная цепь, схема которой показана на рис. 2, в, предназначена для преобразования сигнального устройства в охранное. Оно даст тревожный сигнал в случае обрыва или замыкания охранной линии. Необходимо учитывать, что чем больше сопротивление резисторов R1, R2 и R3, тем устройство более экономично (так как ток, потребляемый в дежурном режиме, определяется в основном ими), но хуже его помехоустойчивость, и наоборот. При большой длине охранной линии резисторы R2 и R3 необходимо зашунтировать конденсаторами.

Число точек одновременного контроля параметров может быть увеличено до четырех, если использовать каждый элемент микросхемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в режиме компаратора напряжения, а их выходы объединить по схеме 4И-НЕ.

Наконец, используя подобные двупороговые компараторы на основе элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, можно создать очень простой, экономичный и в то же время эффективный кодовый замок (рис. 3). Ключ к этому замку — сборка из четырех термостабильных резисторов R1—R4, смонтированных на штыревой части пятиконтактного разъема XI. В дежурном режиме, когда ключ не вставлен в гнездовую часть разъема, на входах элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD1.1—DD1.4 будет низкий уровень. На выходе каждого из этих элементов — также низкий уровень, а на выходе элемента 4И-НЕ DD2.1 — высокий.

При вставленном в разъем Х1 ключе на его контактах 2—5 устанавливаются определенные значения напряжения, которые находятся в довольно узкой зоне срабатывания компараторов, собранных на элементах DD1.1—DD1.4. На выходе компараторов появляется высокий уровень, и элемент DD2.1 переключается в состояние, когда на его выходе низкий уровень,— он служит входным сигналом для исполнительного устройства (на схеме оно не показано). Свободный элемент DD2.2 можно использовать для инвертирования этого сигнала.

Остается добавить, что даже при незначительном отклонении сопротивления хотя бы одного из резисторов R1—R4 устройство не сработает, т. е. подобрать код чрезвычайно трудно.