Die unten erläuterte einfache Ultraschall-Feueralarmschaltung erkennt eine Brandgefahrsituation, indem sie die Schwankungen der umgebenden Luftwellen oder die Luftturbulenzen erfasst. Die hohe Empfindlichkeit des Stromkreises stellt sicher, dass selbst kleinste Luftturbulenzen, die durch Temperaturunterschiede oder Feuer verursacht werden, schnell erkannt werden und ein angeschlossenes Alarmgerät ertönt.

Überblick

Herkömmliche Feuersensoren verwenden verschiedene Systeme zur Identifizierung von Bränden und weisen alle möglichen Komplexitäten auf.

Ein gewöhnliches Brandmeldesystem verwendet a Temperatursensor die ungewöhnlich hohe Temperaturabweichung zu spüren, die durch ein Feuer verursacht wird.

“Wie berechnet man den Kondensatorwert in der Schaltung? ”

Es ist nicht grundlegend, dass nur ein elektronisches Teil wie ein Thermistor oder es wird eine Halbleitertemperaturvorrichtung verwendet, aber einfaches Material wie eine Niedertemperatur-Schmelzverbindung oder ein Bimetall-Temperaturschalter.

Obwohl die Einfachheit solcher Alarmtypen bevorzugt wird, ist ihre Zuverlässigkeit fraglich, da die Erkennung nur erfolgt, wenn ein Feuer bereits gereift ist.

Es gibt komplexere Brandmeldesysteme, beispielsweise Rauchmelder, die mit einem bestimmten Halbleiterteil ausgestattet sind, das das Vorhandensein von Rauchpartikeln, brennbaren Gasen und Dämpfen erfasst.

Davon abgesehen gibt es optoelektronisch Brandmeldeanlagen, die ausgelöst werden, wenn Rauch jeglicher Art ihre Lichtstrahlen blockiert. Eine solche Art von Brandmeldesystem wurde auf Hobby Electronics veröffentlicht.

Wärmeerfassung mittels Doppler-Verschiebung

Eine neuartige Methode zur Branderkennung mit Ultraschall wird in diesem Artikel beschrieben. Mit den gleichen Funktionsprinzipien wie die berühmten Doppler Shift Ultraschall-Einbruchalarme Dieses Brandmeldesystem reagiert zusätzlich zur Bewegung fester Objekte enorm empfindlich auf Turbulenzen in der Luft.

Die Hitze eines elektrischen Feuers erzeugt immense Turbulenzen und löst den Alarm aus. Oft werden aufgrund der Turbulenzen Fehlalarme ausgelöst. Infolgedessen ist diese Art von Feueralarm perfekt für ein Haus, obwohl die Menschen, die darin leben, es oft nicht schätzen würden.

Wie Schalldiskriminierung geschieht

Ein Nachteil der Verwendung eines Doppler-Shift-Einbruchalarms als Feueralarm ist der massive Erkennungsbereich, den dieses Gerät bietet. Irgendwie stellt sich dies hier als Segen heraus, da eine schnelle Erkennung möglich wird, obwohl in einer kleinen Ecke des Erkennungsbereichs ein Feuer beginnt.

Das Standardprinzip herkömmlicher Feuermelder besteht darin, Brände zu erkennen und dabei Personen zu ignorieren, die sich im Raum bewegen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da das Alarmsystem so eingestellt ist, dass es bis zur Aktivierung läuft.

Ein typischer Ultraschall-Doppler-Shift-Alarm kann nicht zwischen Personen und Turbulenzen unterscheiden. Daher ist es für ein Brandmeldesystem sinnvoller, einen Stromkreis zu verwenden, der einen kleinen Betriebsbereich regelt.

Die Alarmeinheit kann an einem Ort im Raum aufgestellt werden, an dem die menschliche Bewegung minimal ist, kann jedoch die durch einen Brand verursachten Turbulenzen schnell erkennen.

System funktioniert

Ein grundlegender Ultraschallalarm ist mit zwei unabhängigen Stromkreisen ausgestattet, die über dieselbe Stromversorgung verbunden sind.

Die einfachere elektronische Schaltung wirkt als Sender, der gleichmäßige Schallfrequenzen an den Empfänger abgibt, was die kompliziertere Schaltung ist.

Ein Blockdiagramm des Feueralarms ist in Abbildung 1 dargestellt.

Wie beschrieben erzeugt die Senderschaltung unter Verwendung eines Oszillators Ultraschall und speist das Signal über einen Lautsprecher.

Das elektrische Signal wird vom Lautsprecher in Schallwellen umgewandelt, aber Menschen können sie nicht hören, weil sie über dem Hörbereich liegen.

Gängige Schallverstärker funktionieren bei Ultraschallfrequenzen aufgrund des piezoelektrischen Sendewandlers nicht gut.

Normalerweise ist ein Ausgangspegelmoderator enthalten, damit die Empfindlichkeit der Schaltung auf den richtigen Pegel eingestellt werden kann.

Empfänger

Ein Mikrofon am Empfänger erkennt die Schallwellen vom Sender und wandelt sie wieder in elektrische Signale um.

Noch einmal, a spezialisierter piezoelektrischer Wandler wird am Empfangsmikrofon verwendet, da die normalen nicht für den Betrieb bei hohen, insbesondere Ultraschallfrequenzen geeignet sind.

Der extrem manövrierende Zustand des Ultraschallschalls verursacht Erkennungsprobleme zwischen dem Mikrofon und dem Lautsprecher, falls beide Geräte fast nebeneinander installiert sind.

In praktischen Situationen sind die erfassten Signale Reflexionen von Wänden oder Möbeln im Raum.

Darüber hinaus ist die Ausgabe vom Mikrofon relativ gering und liegt typischerweise bei 1 mV RMS. Daher ist ein Verstärker eingebaut, um das Signal auf einen Arbeitspegel zu bringen.

Normalerweise werden bei einem Ultraschall-Einbruchalarm mindestens zwei Verstärkungsstufen mit hoher Verstärkung verwendet. Da das diskutierte Brandmeldesystem jedoch eine geringere Empfindlichkeit erfordert, ist eine einzelne Verstärkungsstufe besser geeignet.

Detektor

Der nächste Abschnitt der Schaltung ist ein Amplitudenmodulationsdetektor. In einer praktischen Situation ist das erfasste Signal eine direkte 40-kHz-Ausgangswelle vom Sender.

Dieses Signal wird unter Verwendung verschiedener Pfade gesammelt und willkürlich phasengesteuert. Beide Amplituden des Signals und seine Phasenbeziehungen bleiben jedoch unverändert erhalten. Somit wird unter Bereitschaftssituationen keine Ausgabe vom Amplitudengenerator erzeugt.

Immer wenn sich vor dem Detektor eine Bewegung befindet oder die Luft turbulent ist, ändert sich das gesamte Szenario.

Der Berühmte Doppler-Verschiebung übernimmt die Ladung und erzeugt einen Frequenzhub auf den Signalen, die von dem in Bewegung befindlichen Objekt oder der Störung in der Luft reflektiert werden.

Ein Teil des übertragenen Signals wird entweder direkt oder unter Verwendung bewegungsloser Gegenstände durch die Luft gesammelt, die gegen die Turbulenzen beständig ist.

Danach werden zwei oder mehr Frequenzen in den Amplitudendemodulator geleitet. In diesem Stadium ist die Phasenbeziehung nicht regulierbar, da die Signale unterschiedliche Frequenzen haben.

Ultraschallwellenformen

Stellen Sie sich beim Betrachten des Wellenformdiagramms in Abbildung 2 vor, dass die obere Wellenform das Standard-40-kHz-Signal und die untere Wellenform das frequenzveränderte Signal ist. Zu Beginn sind die Signale gleichphasig oder sie nehmen homogen im Maßstab zu und ab, während die Polarität beibehalten wird.

Die gleichphasigen Signale werden im Demodulator zusammengefasst, um ein großes Ausgangssignal zu erzeugen. Anschließend treten sie während der Wellenformsequenz in die gegenphasige Zone ein.

Dies bedeutet, dass die Signale ihre Amplitude immer noch gleichmäßig erhöhen und verringern, aber jetzt entgegengesetzte Polaritäten haben.

Infolgedessen erzeugt der Demodulator ein schwaches Ausgangssignal, wenn sich die beiden anderen Signale gegenseitig aufheben. Am Ende springen die Signale jedoch zurück, um gleichphasig zu sein, und geben einen stabilen Ausgang vom Demodulator frei.

In dem Moment, in dem die Schaltung aktiviert wird, wird ein sich ändernder Ausgangspegel vom Demodulator gemessen.

Die Frequenz des Ausgangssignals entspricht der Varianz zwischen den doppelten Eingangssignalen.

Dies wird normalerweise bei einer niedrigen Audiofrequenz oder einer Unterschallfrequenz beobachtet. Ohne Zweifel wird das Signal vom Ausgang mühelos erfasst, nachdem der Verstärker mit hoher Verstärkung es verbessert hat.

Alarmgenerator

Sobald das Signal verstärkt ist, wird es zur Steuerung einer Standard-Latch-Schaltung verwendet, die nach ihrer Aktivierung den Alarm weiter auslöst, bis das System zurückgesetzt wird. Der Verriegelungsvorgang wird von einem Schalttransistor gesteuert, der die Steuerspannung mit der Alarmerkennungsschaltung verbindet.

Der Alarmgenerator wird mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) aufgebaut, der von einem Niederfrequenzoszillator moderiert wird.

Der Niederfrequenzoszillator erzeugt eine Rampenwellenform, und die Frequenz eines Ausgangs des VCO nimmt allmählich bis zu seiner Spitzensteigung zu.

Dann kehrt das Signal zur minimalen Tonhöhe zurück und nimmt die Frequenz wieder progressiv zu. Dieser zyklische Prozess wird fortgesetzt und liefert ein effizientes Alarmsignal.

Wie die Schaltung funktioniert

Die vollständige Schaltungszeichnung des Ultraschall-Brandmeldesystems oder des Empfängers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

EMPFÄNGERKREIS : Die gepunkteten Linien verbinden sich mit den Versorgungsschienen des Sendekreises unten

SENDERKREIS

Der Sender wird unter Verwendung eines 7555-Zeitgebergeräts IC1 aufgebaut. Diese CMOS-Komponente ist der Niedrigleistungstyp des 555-Timers.

Für diesen Alarmgeneratortyp ist ein 7555 im Vergleich zu einem 555 ideal, da der Gesamtstromverbrauch der Schaltung nur bei etwa 1 mA oder weniger gehalten wird, was zu einer effizienten Nutzung der Batterieleistung beiträgt.

Darüber hinaus wird der 7555 IC in einem typischen Oszillationsverfahren verwendet, bei dem die Zeitsteuerungsteile R13, RV1 und C7 speziell ausgewählt werden, um eine Frequenz von 40 kHz zu erzeugen.

Die Voreinstellung wird geregelt, um die Ausgangsfrequenz zu erzeugen, die von den Empfangs- und Sendeschaltungen einen idealen Wirkungsgrad liefert. Die Voreinstellung ist im Schaltplan als RV2 gekennzeichnet.

Empfänger

X1 ist der Signalerfassungssensor in der Empfängerschaltung, und sein Ausgang ist mit dem Eingang eines gemeinsamen Emitterverstärkers verbunden, der um Q1 herum ausgelegt ist.

Zu diesem Zeitpunkt wird ein niedriger Kollektorstrom von etwa 0,1 A aufrechterhalten, um sicherzustellen, dass der Stromverbrauch des gesamten Teils niedrig ist.

Normalerweise würde man denken, dass dies bei einem Verstärker dieser Art weniger Verstärkung verursacht, aber insgesamt ist es mehr als genug für den bestehenden Betrieb.

Der Kondensator C2 kombiniert die verbesserte Ausgabe von Q1 mit einem üblichen AM-Demodulator unter Verwendung von D1, D2, R3 und C3.

Später wird das Folge-Niederfrequenzsignal unter Verwendung eines zweiten gemeinsamen Emitterverstärkers, der sich bei Q2 befindet, hochgefahren.

Ein weiterer IC1-Timer wird als Latch verwendet. Im Gegensatz zur normalen Praxis wird der Zeitgeber IC1 im monostabilen Ansatz verwendet, der einen positiven Ausgangsimpuls liefert, wenn Pin 2 gegenüber der Versorgungsspannung um 33% reduziert wird.

Normalerweise wird die Ausgangsimpulsbreite durch ein Paar von Zeitsteuerungswiderstand und Kondensator reguliert, aber diese Schaltung ist ohne diese Komponenten.

Stattdessen sind die Pins 6 und 7 von IC1 mit der Minus-Versorgungsschiene verbunden. Bei Aktivierung wird der Ausgang von IC1 eingeschaltet und befindet sich weiterhin in diesem Zustand, wodurch die Verriegelungsaktion ermöglicht wird.

Vom Kollektor des Transistors Q2 wird Pin 2 von IC1 angeschlossen und auf die Hälfte der Versorgungsspannung geregelt.

Somit ist im Standby-Zustand IC1 nicht aktiviert. In dem Moment, in dem das Gerät gestartet wird, schwingt die Kollektorspannung an Q2.

Darüber hinaus wird es während der negativen Halbzyklen niedriger als die Triggerschwellenspannung. Mit dem Betriebsschalter SW1 und dem Rücksetzeingang von IC1 auf 0 V Versorgungsspannung kann die gesamte Schaltung zurückgesetzt werden.

Die Komponente, die verwendet wird, um Strom an die Alarmschaltung zu leiten, wenn der IC1 aktiviert ist, ist der Transistor Q3. Aus Sicherheitsgründen wirkt R8 als Strombegrenzungswiderstand.

Alarmsignal

IC2 ist der letzte Chip, bei dem es sich um eine Phasenregelschleife CMOS 4046BE handelt. Bei diesem Design ist jedoch nur der VCO-Teil entscheidend. Ein Phasenkomparator wird treffend verwendet, jedoch nur als Wechselrichter zur Alarmschaltung.

Die Inversion des Ausgangs des VCO führt zu einem Zweiphasenausgang, der es dem Keramikresonator LS1 ermöglicht, eine Spitze-Spitze-Spannung zu empfangen, die das Zweifache der Versorgungsspannung beträgt.

Infolgedessen wird ein kreischendes Alarmsignal erzeugt. Bei Bedarf kann der Ausgang von Pin 4 von IC2 verbessert und zur Stromversorgung eines Standardlautsprechers verwendet werden. Der Kondensator C6 und der Widerstand R12 fungieren als Zeitsteuerungsteile für den VCO. Die elektronischen Komponenten liefern eine stabile Ausgangsfrequenz um 2 kHz. Dies ist die Zone, in der der Keramikresonator den Spitzenwirkungsgrad erreicht.

Das Modulationssignal wird von einem typischen Relaxationsoszillator mit unijunction vom Transistor Q4 erzeugt. Dies liefert eine divergierende Rampenwellenform bei 4 kHz.

Wie stellt man das ein

Beginnen Sie mit RV1 in der Mitte und RV2 für die maximale Leistung, die vollständig gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.

Stellen Sie RV2 mit einem Multimeter (falls verfügbar) auf die minimale Gleichspannung ein und verbinden Sie es mit R3, während die negative Sonde an die negative Versorgungsleitung angeschlossen wird.

Schalten Sie das Gerät ein und platzieren Sie die Schallköpfe in einer Entfernung von 10 oder 20 cm zu einer Wand oder einer glatten Oberfläche.

Wenn RV1 betätigt wird, wird das Multimeter abgelesen oder bewegt, und dann wird RV1 so eingestellt, dass der maximal mögliche Messwert erreicht wird.

Es wird dringend empfohlen, nach Abschluss der Regelung einen Leiter über SW1 zu befestigen, da der Alarmgenerator stummgeschaltet ist und sein Ausgang die Messungen nicht beeinflussen kann.

Falls ein Multimeter nicht verfügbar ist, kann RV1 mithilfe des Trial-and-Error-Ansatzes eingestellt werden, um einen Wert zu ermitteln, der für das gesamte Teil funktioniert.

Obwohl RV2 gut geschützt ist, ist die Alarmeinheit immer noch empfindlich. Der Montageort muss für das Gerät gut geplant sein. Ein guter Punkt wäre etwas oberhalb der Werkbank des Bedieners, wo aufgrund der Elektrowerkzeuge und Lötmaterialien die höchste Brandgefahr besteht.

Ein weiterer Vorteil einer höheren Platzierung des Geräts besteht darin, dass heiße Luft aufsteigt und es einfacher ist, den Alarm auszulösen, ohne dass das Risiko von falschen Signalen besteht, die von Personen erzeugt werden, die durch den Raum rennen.

Mit wenigen Versuchen kann eine geeignete Position ohne die Konsequenz menschlicher Faktoren und eine stabile Empfindlichkeit für den Feueralarmgenerator erreicht werden.

Um die Wirksamkeit der Position des Geräts zu testen, wird ein funktionierender Lötkolben unter und vor das Bauteil gelegt.

Wenn ausreichend turbulente Luft erzeugt wird, sollte sie den Alarm aktivieren. Beim Einschalten wird der Stromkreis nicht erregt, dies kann jedoch sofort aufgehoben werden, indem der SW1 auf Reset gestellt wird.

Der Ultraschall-Feueralarmkreis ist nicht mit einem Einschaltverzögerungsschalter ausgestattet, aber Ihre Anwesenheit hinter dem Gerät muss beim Betrieb von SW1 sichergestellt sein. Es besteht kein Risiko, wenn Sie Ihre Hand nach dem Betätigen des Schalters entfernen.