Het eenvoudige ultrasone brandalarmcircuit dat hieronder wordt uitgelegd, detecteert een brandgevaarssituatie door de variaties in de omringende luchtgolven of de luchtturbulentie op te vangen. De hoge gevoeligheid van het circuit zorgt ervoor dat zelfs de kleinste luchtturbulentie veroorzaakt door een temperatuurverschil of brand snel wordt gedetecteerd en een aangesloten alarmapparaat klinkt.

Overzicht

Conventionele brandsensoren maken gebruik van diverse systemen om brand te identificeren, en ze hebben allerlei complexiteiten.

Een gewoon brandmeldsysteem maakt gebruik van een temperatuursensor om de ongewoon hoge temperatuurschommelingen te voelen die door een brand worden veroorzaakt.

“hoe krijg je 3 fase stroom uit een enkele fase? ”

Het is niet fundamenteel dat alleen een elektronisch onderdeel zoals een thermistor of een halfgeleider-temperatuurapparaat wordt gebruikt, maar eenvoudig materiaal zoals een smeltlood voor lage temperatuur of een bimetalen temperatuurschakelaar.

Hoewel de eenvoud van dergelijke alarmtypen de voorkeur heeft, is hun betrouwbaarheid twijfelachtig omdat detectie alleen plaatsvindt als een brand al volwassen is.

Er bestaan meer complexe brandalarmsystemen, bijvoorbeeld rookmelders die zijn uitgerust met een apart halfgeleiderdeel dat de aanwezigheid van rookdeeltjes, brandbaar gas en damp detecteert.

Anders dan dat, zijn er opto-elektronisch brandalarmsystemen die worden geactiveerd wanneer de rook van welke vorm dan ook hun lichtstralen blokkeert. Een dergelijk type branddetectiesysteem is gepubliceerd op Hobby Electronics.

Hittedetectie met behulp van Doppler Shift

Een nieuwe methode voor branddetectie met ultrasoon geluid wordt in dit artikel beschreven. Met dezelfde werkingsprincipes als de beroemde Doppler Shift ultrasone inbraakalarmen is dit branddetectiesysteem enorm gevoelig voor turbulentie in de lucht, naast de beweging van vaste objecten.

De hitte van een elektrische brand veroorzaakt een enorme turbulentie en activeert het alarm. Vaak worden valse alarmen afgegaan vanwege de turbulentie. Als gevolg hiervan is dit type brandalarm perfect voor een huis, ook al zouden mensen die erin wonen het vaak niet op prijs stellen.

Hoe goede discriminatie gebeurt

Een nadeel van het gebruik van een Doppler Shift-inbraakalarm als brandalarm is het enorme detectiegebied dat dit apparaat biedt. Op de een of andere manier blijkt dit hier een zegen te zijn, want snelle detectie wordt mogelijk, ook al ontstaat er brand in een klein hoekje van het detectiegebied.

Het standaardprincipe van conventionele brandalarmen is om branden te detecteren terwijl mensen die door de kamer klauteren, worden genegeerd. Dit is cruciaal omdat het alarmsysteem is ingesteld om te werken totdat het wordt geactiveerd.

Een typisch ultrasoon Doppler Shift-alarm maakt geen onderscheid tussen mensen en turbulentie. Daarom is het logischer dat een brandalarmsysteem een circuit gebruikt dat een klein werkgebied bestuurt.

De alarmunit kan op een locatie in de kamer worden geplaatst waar menselijke beweging minimaal is, maar toch snel de turbulentie als gevolg van een brand kunnen identificeren.

Systeem werkt

Een eenvoudig ultrasoon alarm is uitgerust met twee onafhankelijke circuits die via dezelfde voeding zijn verbonden.

Het eenvoudigere elektronische circuit fungeert als een zender die uniforme geluidsfrequenties uitzendt naar de ontvanger, wat het meer gecompliceerde circuit is.

Een blokschema van het brandalarm wordt getoond in Figuur 1.

Zoals beschreven, werkt het zendcircuit om ultrasoon geluid te produceren met behulp van een oscillator en voert het signaal door een luidspreker.

Het elektrische signaal wordt door de luidspreker omgezet in geluidsgolven, maar mensen kunnen ze niet horen omdat ze zich boven het gehoorbereik bevinden.

Gewone geluidsversterkers werken niet goed bij ultrasone frequenties vanwege het piëzo-elektrische type zendtransducer.

Meestal wordt een output level moderator meegeleverd zodat de gevoeligheid van de schakeling op het juiste niveau kan worden afgestemd.

Ontvanger

Een microfoon bij de ontvanger detecteert de geluidsgolven van de zender en zet deze om in elektrische signalen.

Nogmaals, een gespecialiseerde piëzo-elektrische transducer wordt gebruikt op de ontvangende microfoon omdat de normale microfoons niet geschikt zijn om te werken bij hoge, vooral ultrasone frequenties.

De extreem manoeuvreerbare toestand van ultrasoon geluid veroorzaakt detectieproblemen tussen de microfoon en de luidspreker als beide apparaten bijna naast elkaar worden geïnstalleerd.

In praktische situaties zijn de opgevangen signalen reflecties van muren of meubels in de kamer.

Bovendien is de output van de microfoon relatief laag en meestal rond de 1 mV RMS. Er is dus een versterker ingebouwd om het signaal naar een werkniveau te verbeteren.

Normaal gesproken worden minimaal twee versterkingsfasen met hoge versterking gebruikt bij een ultrasoon inbraakalarm. Aangezien het besproken brandalarmsysteem echter een lagere gevoeligheid vereist, is een enkele versterkingsfase geschikter.

Detector

Het volgende deel van het circuit is een amplitudemodulatiedetector. In een praktische situatie is het gedetecteerde signaal een directe 40 kHz uitgangsgolf van de zender.

Dit signaal wordt via verschillende paden verzameld en willekeurig gefaseerd. Maar beide amplitudes van het signaal en zijn faserelaties blijven behouden zonder enige wijziging. Er wordt dus geen uitvoer gegenereerd door de amplitudegenerator onder gereedstaande situaties.

Wanneer er beweging is voor de detector of de lucht turbulent is, verandert het hele scenario.

De beroemde Doppler shift neemt de leiding en produceert een frequentiezwaai op de signalen die worden gereflecteerd door het object in beweging of wanorde in de lucht.

Een deel van het overgebrachte signaal wordt ofwel direct ofwel met bewegingloze voorwerpen door de lucht opgevangen die bestand is tegen turbulentie.

Daarna worden twee of meer frequenties naar de amplitudedemodulator gestuurd. In dit stadium is de faserelatie niet te reguleren omdat de signalen verschillende frequenties hebben.

Ultrasone golfvormen

Als u naar het golfvormdiagram in figuur 2 hieronder kijkt, stel u dan voor dat de bovenste golfvorm het standaard 40 kHz-signaal is en de onderste golfvorm het in frequentie gewijzigde signaal. In het begin zijn de signalen in fase of nemen ze homogeen toe en nemen ze af in schaal met behoud van dezelfde polariteit.

De in-fase signalen worden in de demodulator opgeteld om een enorm uitgangssignaal te genereren. Daarna, tijdens de golfvormsequentie, gaan ze de antifasezone binnen.

Dit betekent dat de signalen hun amplitude nog steeds gelijkmatig verhogen en verlagen, maar nu tegengestelde polariteiten hebben.

Het resultaat is dat de demodulator een zwak uitgangssignaal produceert wanneer de twee andere signalen elkaar opheffen. Maar uiteindelijk springen de signalen terug om in fase te zijn en komt er een stevige output van de demodulator vrij.

Op het moment dat het circuit wordt geactiveerd, wordt een veranderend uitgangsniveau van de demodulator gemeten.

De frequentie van het uitgangssignaal is hetzelfde als de variantie tussen de dubbele ingangssignalen.

Dit wordt normaal gesproken gezien op een lage audiofrequentie of een subsonische frequentie. Zonder twijfel wordt het signaal van de uitgang moeiteloos opgevangen nadat de high-gain versterker het versterkt.

Alarmgenerator

Zodra het signaal is versterkt, wordt het gebruikt om een standaard grendelcircuit te besturen dat, eenmaal geactiveerd, het alarm blijft klinken totdat het systeem wordt gereset. De vergrendeling wordt geregeld door een schakeltransistor die de stuurspanning verbindt met het alarmdetectiecircuit.

De alarmgenerator is gebouwd met behulp van een Voltage Controlled Oscillator (VCO) gemodereerd door een laagfrequente oscillator.

Een hellingsgolfvorm wordt geproduceerd door de laagfrequente oscillator en een uitvoer van de VCO zal geleidelijk in frequentie toenemen tot zijn maximale toonhoogte.

Vervolgens keert het signaal terug naar de minimale toonhoogte en neemt geleidelijk weer toe in frequentie. Dit cyclische proces gaat door en zorgt voor een efficiënt alarmsignaal.

Hoe het circuit werkt

De volledige schakelingstekening van het ultrasoon branddetectiesysteem of de ontvanger is weergegeven in onderstaande figuur.

ONTVANGER CIRCUIT : De stippellijnen sluiten aan op de voedingsrails van het zendercircuit eronder

ZENDER CIRCUIT

De zender is gebouwd met behulp van een 7555 timerapparaat, IC1. Deze CMOS-component is het type met laag vermogen van de 555-timer.

Voor dit type alarmgenerator is een 7555 ideaal vergeleken met een 555 omdat het totale stroomverbruik van het circuit wordt gehandhaafd op slechts ongeveer 1mA of minder, wat bijdraagt aan een efficiënt gebruik van batterijvermogen.

Bovendien wordt de 7555 IC gebruikt in een typische oscillerende methode waarbij de timingonderdelen R13, RV1 en C7 speciaal worden geselecteerd om een frequentie van 40 kHz te genereren.

De preset wordt geregeld om de uitgangsfrequentie te genereren die een ideale efficiëntie levert vanuit de ontvangende en zendcircuits. De preset wordt in het schakelschema aangeduid als RV2.

Ontvanger

X1 is de signaalopnemende sensor in het ontvangercircuit en de uitgang is verbonden met de ingang van een gemeenschappelijke emitterversterker die is ontworpen rond Q1.

Op dit punt wordt een lage collectorstroom van ongeveer 0,1 A gehandhaafd om ervoor te zorgen dat het stroomverbruik van het hele onderdeel laag is.

Normaal gesproken zou je denken dat dit minder versterking oplevert van een dergelijke versterker, maar over het algemeen is het meer dan voldoende voor de bestaande operatie.

Condensator C2 combineert de verbeterde output van Q1 met een gebruikelijke AM-demodulator door gebruik te maken van D1, D2, R3 en C3.

Later wordt het daaruit voortvloeiende laagfrequente signaal verhoogd met behulp van een tweede gemeenschappelijke emitterversterker die zich op Q2 bevindt.

Een andere IC1-timer wordt gebruikt als de vergrendeling. In tegenstelling tot wat gebruikelijk is, wordt de timer IC1 gebruikt in de monostabiele benadering die een positieve uitgangspuls levert als pin 2 met 33% wordt verlaagd ten opzichte van de voedingsspanning.

Gewoonlijk zou de uitgangspulsbreedte worden geregeld door een paar timingweerstanden en condensatoren, maar dit circuit heeft deze componenten niet.

In plaats daarvan zijn pennen 6 en 7 van IC1 gekoppeld aan de min-voedingsrail. Wanneer geactiveerd, wordt de uitgang van IC1 ingeschakeld en blijft deze in die toestand, waardoor de vergrendeling mogelijk is.

Vanaf de collector van transistor Q2 is pin 2 van IC1 verbonden en gelijk aan de helft van de voedingsspanning geregeld.

Dus in stand-by toestand is IC1 niet geactiveerd. Op het moment dat de unit wordt gestart, oscilleert de collectorspanning op Q2.

Bovendien wordt deze tijdens de negatieve halve cycli lager dan de triggerdrempelspanning. Met behulp van bedieningsschakelaar SW1 en de reset-ingang van IC1 op 0V voedingsspanning kan het volledige circuit worden gereset.

De component die wordt gebruikt om stroom naar het alarmcircuit te leiden wanneer de IC1 wordt geactiveerd, is transistor Q3. Om veiligheidsredenen fungeert R8 als een stroombegrenzende weerstand.

Alarmsignaal

IC2 is de laatste chip, een CMOS 4046BE fasevergrendelde lus. Bij dit ontwerp is echter alleen het VCO-gedeelte cruciaal. Een fasevergelijker wordt toepasselijk gebruikt, maar alleen als omvormer voor het alarmcircuit.

De inversie van de uitgang van de VCO resulteert in een tweefasige uitgang waardoor de keramische resonator LS1 een piek-tot-piekspanning ontvangt die tweemaal de voedingsspanning is.

Het resultaat is een gierend alarmsignaal. Indien nodig kan de output van pin 4 van IC2 worden verbeterd en gebruikt om een standaardluidspreker van stroom te voorzien. Condensator C6 en weerstand R12 fungeren als timingonderdelen voor de VCO. De elektronische componenten zorgen voor een stabiele uitgangsfrequentie rond 2 kHz, de zone waar de keramische resonator het hoogste rendement bereikt.

Het modulatiesignaal wordt geproduceerd door een typische unijunction-relaxatieoscillator van transistor Q4. Dit levert een divergerende golfvorm op bij 4 kHz.

Hoe te installeren

Begin met RV1 halverwege en RV2 bepaald voor maximale output die volledig linksom is gedraaid.

Gebruik een multimeter (indien beschikbaar), stel RV2 in op de minimale DC-spanning en verbind deze over R3 terwijl de negatieve sonde is aangesloten op de negatieve voedingslijn.

Schakel het apparaat in en plaats de transducers naar een muur of een ander glad oppervlak op ongeveer 10 of 20 cm afstand.

Wanneer RV1 wordt geactiveerd, zal er aflezing of beweging zijn op de multimeter, en vervolgens wordt RV1 afgestemd om de maximaal mogelijke aflezing te bereiken.

Het wordt ten zeerste aanbevolen om een geleider over SW1 te bevestigen wanneer de regeling is voltooid, omdat de alarmgenerator is gedempt en de output de metingen niet kan beïnvloeden.

In het geval dat er geen multimeter beschikbaar is, kan RV1 worden afgesteld door middel van vallen en opstaan om een waarde te ontdekken die voor het hele onderdeel werkt.

Hoewel RV2 goed beschermd is, is de alarmunit nog steeds gevoelig. De montagelocatie moet goed worden gepland voor de unit. Een goede plek is iets boven de werkbank van de operator, waar het grootste risico op brand aanwezig is vanwege de elektrische gereedschappen en soldeermaterialen.

Een ander voordeel van het hoger plaatsen van de unit is dat de warme lucht stijgt, waardoor het alarm gemakkelijker kan worden geactiveerd zonder het risico van valse signalen die worden veroorzaakt door mensen die door de kamer rennen.

Met een paar proeven kan een geschikte positie zonder de gevolgen van menselijke factoren en een stabiele gevoeligheid voor de brandalarmgenerator worden bereikt.

Om de effectiviteit van de positie van het apparaat te testen, wordt een werkende soldeerbout onder en voor het onderdeel geplaatst.

Als er voldoende turbulente lucht wordt geproduceerd, moet deze het alarm activeren. Bij het inschakelen wordt het circuit bekrachtigd, maar dit kan onmiddellijk worden opgeheven door de SW1 op reset te zetten.

Het ultrasone brandalarmcircuit is niet ontworpen met een inschakelvertragingsschakelaar, maar uw aanwezigheid achter de unit moet worden gegarandeerd bij het bedienen van SW1. Er is geen risico als u uw hand verwijdert nadat u de schakelaar hebt ingedrukt.