УДОСКОНАЛЕННЯ УНІВЕРСАЛЬНОГО ЕЛЕКТРОННОГО ПРИСТРОЯ ОБМЕЖЕННЯ ДОСТУПУ

Анотація. Пристрої обмеження доступу – це електронний пристрій, призначений для того, щоб запобігти доступу в приміщення сторонніх осіб, або навпаки, обмежити вихід з приміщення. Рішення про доступ осіб до приміщення приймається на основі сигналів від різних датчиків: зчитувачів магнітних карт, штрих-кодів, датчиків контактної пам'яті, біометричних датчиків, складальної клавіатури, комбінаторних флуоресцентних молекулярних датчиків, дистанційного керування. Існуючі системи (часто) відрізняються високою вартістю і слабким захистом блоків системи від механічного руйнування системи від злому, і недостатнім забезпеченням захисту від нестабільності напруги мережі, а також втрати живлення.

Однією із задач підвищення захисту, є утримання запірних пристроїв (соленоїду) у ввімкненому стані. Це необхідно для підвищення захисту приміщення тому через певний час двері закриються самі якщо їх забули закрити. Схема електрична принципова, управління соленоїдом представлена на рисунку 1.

Рисунок 1. Схема електрична принципова управління соленоїдом

Розрахуємо потужність, що розсіюється  на ключовому каскаді і соленоїді. Виходячи із заявлених характеристик пристрою:

- вхідна напруга – 12 В;

- струм через транзисторі і соленоїд VT1 – 10 А;

- падіння напруги на транзисторі - 0,6 В;

- падіння напруги на соленоїді - 11,4 В.

Відповідно, застосувавши формулу розсіювання потужності P = U * I, отримаємо наступні результати:

- потужність, що розсіюється на транзисторі - Рt = 0,6 * 10А = 6 Вт;

- потужність, що розсіюється на соленоїді - Рс = 11,4В * 10А = 114 Вт.

Аналіз результатів розрахунку показує, що довготривала розсіювальна потужність 114 Вт на соленоїді може привести до істотного виділення тепла і руйнування соленоїда при тривалій експлуатації.

Розглянемо варіанти зменшення потужності, що розсіюється на соленоїді і ключовому каскаді.

Приклад 1. Використання схеми компенсаційного стабілізатора на одному транзисторі

В основі вирішення цього завдання використовуємо той факт, що після включення соленоїда його утримання в утягненому стані забезпечується істотно меншим струмом ніж той, який необхідний для його включення.

Використовуваний соленоїд має наступні характеристики:

- напруга включення - 10 ... 12 В;

- струм включення - 8 ... 10 А;

- напруга утримання - 5 ... 6 В,

- струм утримання - 4 ... 5 А.

Таким чином, якщо використовувати ефект утримання соленоїда на малому струмі,  потужність що розсіюється на соленоїді складе: Pc = 6В * 5А = 30 Вт.

Даний розрахунок підтверджує ефективність зниження потужності, що розсіюється на соленоїді при використанні схеми включення соленоїда з використання ефекту струма утримання. В основу побудови ключових схем покладемо розробку каскадів, які в початковий момент комутації подають на соленоїд 10 ... 12В, а через деякий час (0,2 ... 0,5сек) знижують напругу на соленоїді до 5 ... 6В.

Одним з рішень такого завдання є використання ключового каскаду на основі схеми компенсаційного стабілізатора на одному транзисторі [2] (рис. 2).

Рисунок 2. Компенсаційна схема стабілізатора на одному транзисторі

В схемі передбачено стабілітрон, як джерело опорної напруги на 3 В. За допомогою стабілітрона з'явилася можливість зміни струму на транзисторі. У свою чергу напруга на виході залежить від резисторів опорної напруги. Змінивши розташування опорного стабілітрона, транзистор вимикається і відповідно забезпечить максимальний струм на 12 В досягнувши необхідного результату. Однак з'явилося необхідність включення в схему оптрона і вимикача. За допомогою вимикача ми можемо управляти оптрон. При цьому включивши K1 отримаємо на виході ключового каскаду 12 В. При включенні K2 додатково до K1 напруги на виході встановитися рівним 6В (значення напруги визначається номіналами резисторів R5, R6) тільки включимо буде 12В. Графік такої роботи компенсаційної схеми (рис. 3).

Рисунок 3. Залежність напруги на соленоїді від часу утримання

З графіка видно, що в перший проміжок часу потрібно для включення соленоїда, далі поступово напруга знижується до 6 В і цього вистачає для постійного утримання. Виходячи з прийнятих рішень було зроблено розрахунок потужності, що розсіюється на транзисторі і соленоїді з урахуванням компенсаційної схеми і представлений нижче:

При цьому  потужність, що розсіюється  на транзисторі склала:

Розрахунок показав  потужність, що розсіюється  на соленоїді була зменшена до 30 Вт, що призвело до істотного зниження. Однак потужність, що розсіюється на транзисторі склала 30 Вт, що викликає необхідність ставити транзистор на радіатор.

З цього дане технічне рішення передбачається використовувати, як проміжне рішення і перейти до більш сучасних методів.

Приклад 2. Застосування імпульсного блока живлення

На сьогоднішній момент імпульсні блоки живлення надійніше лінійних за рахунок наявності в сучасних блоках живленнях вбудованих ланцюгів захисту від різних непередбачених ситуацій, наприклад від короткого замикання, перевантаження, стрибків напруги, вихідних ланцюгів.

Високий ККД обумовлює менші тепловтрати, що в свою чергу обумовлює менший перегрів елементної бази імпульсного блоку живлення, що так само є показником надійності. Основні втрати в аналоговому джерелі це мережевий трансформатор і аналоговий стабілізатор (регулятор). В імпульсному блоці живлення немає ні того ні іншого. Замість мережевого трансформатора використовується високочастотний, а замість стабілізатора - ключовий елемент.

ККД аналогового джерела може бути близько 50 %, тобто половина його енергії (і ваших грошей) йде на нагрів навколишнього повітря.

За основу взята схема керованого імпульсного блоку живлення на (основі мікросхеми MC34063A) в якості ключового каскаду. Серія MC34063A представляє собою монолітну схему управління, що містить основні функції, нижче представлений фрагмент схеми (рис. 4).

Рисунок 4. Функціональна схема мікросхеми імпульсного блока живлення серії MC34063A

Відомо, що імпульсні блоки живлення мають підвищений ККД, що дорівнює 93-95 %[4]. Тому якщо розсіювальна потужність на замку соленоїда складає 30Вт, використавши в схемі імпульсний блок живлення ми знизимо розсіювальну потужність на соленоїді до 1,5-2Вт, це той результат який нам і потрібен. Тому можна зробити висновок, що більш раціонально використовувати імпульсні блоки живлення для довготривалого утримання замка соленоїда. Результуюча схема ключового каскаду на базі керованого імпульсного стабілізатора напруги представлена на рисунку 5.

Рисунок 5. Схема ключового каскаду на базі керованого імпульсного стабілізатора напруги

Висновок.

В результаті застосування імпульсного блока живлення ми досягли істотного зменшення потужності, що розсіюється на ключовому каскаді до 1,5 Вт при збереженні потужності, що розсіюється на соленоїді 30Вт. Тому, можна вважати отримані результати можна використовувати при виробництві універсальних електронних пристроїв обмеження доступу.

Список ліетратури:

1. А.П. Кашкаров // Імпульсні джерела живлення//Схемотехніка і ремонт, 2012.
2. Білоус І.А. ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКУ. Практикум. 2016.
3. Евтихиев, Я.А. Купершмідт, В.Ф. Папуловскій, В.Н. Скугоров; За заг. ред. М.М. Евтихиева. - М.: Вища школа, 1990. - 352 с: ил.
4. Р. Мєк//Імпульсні джерела живлення, 2008.