Circuito de alarma de incendio ultrasónico mediante detección de turbulencia de aire

Circuito de alarma de incendio ultrasónico mediante detección de turbulencia de aire

El circuito de alarma de incendio ultrasónico simple que se explica a continuación detecta una situación de peligro de incendio al detectar las variaciones en las ondas de aire circundantes o la turbulencia del aire. La alta sensibilidad del circuito asegura que incluso la más mínima turbulencia de aire creada por una diferencia de temperatura o un incendio se detecte rápidamente y suene un dispositivo de alarma adjunto.

Visión general

Los sensores de incendios convencionales utilizan diversos sistemas para identificar incendios y tienen todo tipo de complejidades.



Un sistema de alarma contra incendios ordinario utiliza un sensor de temperatura para sentir la variación de temperatura inusualmente alta causada por un incendio.

No es fundamental que solo una parte electrónica como un termistor o se utiliza un dispositivo de temperatura semiconductor, pero material simple como un eslabón fusible de baja temperatura o un interruptor de temperatura bimetálico.

Aunque se prefiere la simplicidad de tales tipos de alarma, su confiabilidad es cuestionable porque la detección ocurre solo cuando un incendio ya ha madurado.

Existen sistemas de alarma contra incendios más complejos, por ejemplo, detectores de humo que están equipados con una parte semiconductora distinta que detecta la existencia de partículas de humo, gases combustibles y vapores.

Aparte de eso, hay optoelectrónico sistemas de alarma contra incendios que se activan cuando el humo de cualquier forma bloquea sus rayos de luz. Este tipo de sistema de detección de incendios se publicó en Hobby Electronics.

Detección de calor mediante desplazamiento Doppler

Un nuevo método de detección de incendios utilizando sonido ultrasónico se describe en este artículo. Teniendo los mismos principios operativos que los famosos Alarmas ultrasónicas de intrusión Doppler Shift , este sistema de detección de incendios es tremendamente sensible a las turbulencias en el aire, además del movimiento de objetos sólidos.

El calor de un incendio eléctrico produce una inmensa turbulencia y dispara la alarma. A menudo, se activan falsas alarmas debido a la turbulencia. Como resultado, este tipo de alarma contra incendios es perfecta para un hogar, aunque las personas que viven en él a menudo no lo aprecian.

Cómo ocurre la discriminación sólida

Un inconveniente de usar una alarma antirrobo Doppler Shift como alarma de incendio es el área de detección masiva que ofrece esta unidad. De alguna manera, aquí esto resulta ser una bendición porque la detección rápida es posible incluso si comienza un incendio en una pequeña esquina del área de detección.

El principio estándar de las alarmas contra incendios convencionales es detectar incendios ignorando a las personas que se mueven por la habitación. Esto es crucial ya que el sistema de alarma está configurado para funcionar hasta que se active.

Una alarma de desplazamiento Doppler ultrasónica típica no diferencia entre personas y turbulencias. Por lo tanto, tiene más sentido que un sistema de alarma contra incendios utilice un circuito que gobierne un área pequeña de operación.

La unidad de alarma se puede colocar en un lugar de la habitación donde el movimiento humano es mínimo, pero aún así, se puede identificar rápidamente la turbulencia resultante de un incendio.

Funcionamiento del sistema

Una alarma ultrasónica básica está equipada con dos circuitos independientes que están conectados a través de la misma fuente de alimentación.

El circuito electrónico más simple actúa como un transmisor que emite frecuencias de sonido uniformes al receptor, que es el circuito más complicado.

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques de la alarma contra incendios.

Como se describe, el circuito transmisor trabaja para producir un sonido ultrasónico usando un oscilador y alimenta la señal a través de un altavoz.

El altavoz convierte la señal eléctrica en ondas sonoras, pero los seres humanos no pueden oírlas porque tienen un tono por encima del rango auditivo.

Los amplificadores de sonido comunes no funcionan bien en frecuencias ultrasónicas debido al tipo piezoeléctrico de transductor de transmisión.

Por lo general, se incluye un moderador de nivel de salida para que la sensibilidad del circuito se pueda sintonizar con el nivel correcto.

Receptor

Un micrófono en el receptor detecta las ondas sonoras del transmisor y las convierte en señales eléctricas.

Una vez más, un transductor piezoeléctrico especializado se utiliza en el micrófono receptor porque los normales no son adecuados para funcionar a altas frecuencias, especialmente ultrasónicas.

El estado de extrema maniobrabilidad del sonido ultrasónico causa problemas de detección entre el micrófono y el altavoz en caso de que ambos dispositivos estén instalados casi uno al lado del otro.

En situaciones prácticas, las señales capturadas son reflejos de paredes o muebles en la habitación.

Además, la salida del micrófono es relativamente baja y típicamente alrededor de 1 mV RMS. Entonces, se incorpora un amplificador para mejorar la señal a un nivel de trabajo.

Normalmente, dos etapas de amplificación de alta ganancia se utilizan como mínimo en una alarma antirrobo ultrasónica. Sin embargo, dado que el sistema de alarma contra incendios mencionado requiere menor sensibilidad, una sola etapa de amplificación es más adecuada.

Detector

La siguiente sección del circuito es un detector de modulación de amplitud. En una situación práctica, la señal detectada es una onda de salida directa de 40 kHz del transmisor.

Esta señal se recopila utilizando varios caminos y en fases arbitrariamente. Pero tanto las amplitudes de la señal como sus relaciones de fase se conservan sin ninguna alteración. Por tanto, no se genera ninguna salida del generador de amplitud en situaciones preparadas.

Siempre que hay movimiento frente al detector o el aire es turbulento, todo el escenario cambia.

El famoso Desplazamiento Doppler se hace cargo y produce una oscilación de frecuencia en las señales que se reflejan del objeto en movimiento o desorden en el aire.

Una parte de la señal comunicada se recoge directamente o utilizando elementos inmóviles a través del aire que es resistente a la turbulencia.

Después de eso, dos o más frecuencias se canalizan al demodulador de amplitud. En esta etapa, la relación de fase está más allá de la regulación porque las señales tienen frecuencias variables.

Formas de onda ultrasónicas

Al mirar el diagrama de forma de onda en la Figura 2 a continuación, imagine que la forma de onda superior es la señal estándar de 40 kHz y la forma de onda inferior es la señal con frecuencia alterada. Al principio, las señales están en fase o aumentan y disminuyen de forma homogénea en escala manteniendo la misma polaridad.

Las señales en fase se resumen dentro del demodulador para generar una gran señal de salida. Posteriormente, durante la secuencia de formas de onda, ingresan a la zona anti-fase.

Esto significa que las señales aún aumentan y disminuyen su amplitud de manera uniforme, pero ahora tienen polaridades opuestas.

Como resultado, el demodulador produce una señal de salida débil cuando las otras dos señales se cancelan entre sí. Pero al final, las señales vuelven a estar en fase y liberan una salida robusta del demodulador.

En el momento en que se activa el circuito, se mide un nivel de salida cambiante del demodulador.

La frecuencia de la señal de salida es la misma que la variación entre las señales de entrada dobles.

Esto normalmente se ve en una frecuencia de audio baja o una frecuencia subsónica. Sin duda, la señal de la salida se captura sin esfuerzo después de que el amplificador de alta ganancia la mejora.

Generador de alarmas

Una vez que la señal se amplifica, se utiliza para controlar un circuito de enclavamiento estándar que, una vez activado, la alarma continúa sonando hasta que se reinicia el sistema. La operación de enclavamiento está gobernada por un transistor de conmutación que vincula el voltaje de control al circuito de detección de alarma.

El generador de alarma se construye utilizando un oscilador controlado por voltaje (VCO) moderado por un oscilador de baja frecuencia.

El oscilador de baja frecuencia produce una forma de onda de rampa y una salida del VCO aumentará gradualmente en frecuencia hasta su tono máximo.

Luego, la señal volverá al tono mínimo y aumentará progresivamente de frecuencia nuevamente. Este proceso cíclico continúa y proporciona una señal de alarma eficaz.

Cómo funciona el circuito

El dibujo del circuito completo del sistema de detección de incendios ultrasónico o del receptor se muestra en la siguiente figura.

CIRCUITO RECEPTOR : Las líneas de puntos se unen con los rieles de suministro del circuito transmisor debajo

CIRCUITO TRANSMISOR

El transmisor está construido con un dispositivo temporizador 7555, IC1. Este componente CMOS es del tipo de bajo consumo del temporizador 555.

Para este tipo de generador de alarma, un 7555 es ideal en comparación con un 555 porque el consumo total de energía del circuito se mantiene en solo alrededor de 1 mA o menos, lo que contribuye al uso eficiente de la energía de la batería.

Además, el 7555 IC se utiliza en un método de oscilación típico mediante el cual las partes de temporización R13, RV1 y C7 se seleccionan especialmente para generar una frecuencia de 40 kHz.

El preajuste está regulado para generar la frecuencia de salida que ofrece la eficiencia ideal de los circuitos de recepción y transmisión. El preajuste se identifica como RV2 en el esquema del circuito.

Receptor

X1 es el sensor de captura de señal en el circuito del receptor, y su salida está conectada a la entrada de un amplificador emisor común que está diseñado alrededor de Q1.

En esta coyuntura, se mantiene una baja corriente de colector de alrededor de 0,1 A para garantizar que el consumo de energía de toda la pieza sea bajo.

Normalmente, uno pensaría que esto causa menos ganancia de un amplificador de este tipo, pero en general, es más que suficiente para la operación existente.

El condensador C2 combina la salida mejorada de Q1 con un demodulador AM habitual empleando D1, D2, R3 y C3.

Más tarde, la señal de baja frecuencia resultante se incrementa utilizando un segundo amplificador de emisor común ubicado en Q2.

Otro temporizador IC1 se utiliza como pestillo. Contrariamente a la práctica normal, el temporizador IC1 se utiliza en el enfoque monoestable que proporciona un pulso de salida positivo si el pin 2 se reduce en un 33% del voltaje de suministro.

Por lo general, el ancho del pulso de salida estaría regulado por un par de resistencia de temporización y condensador, pero este circuito no tiene esos componentes.

En cambio, los pines 6 y 7 de IC1 están vinculados al riel de suministro negativo. Cuando se activa, la salida de IC1 se enciende y continúa en ese estado, lo que permite la acción de enclavamiento.

Desde el colector del transistor Q2, el pin 2 de IC1 está conectado y regulado para igualar la mitad del voltaje de suministro.

Por tanto, en condición de espera, IC1 no se activa. En el momento en que se enciende la unidad, la tensión del colector en Q2 oscila.

Además, durante los semiciclos negativos, se vuelve más bajo que el voltaje umbral de activación. Usando el interruptor de operación SW1 y la entrada de reinicio de IC1 a voltaje de suministro de 0V, se puede reiniciar el circuito completo.

El componente que se utiliza para canalizar la energía al circuito de alarma cuando se activa el IC1 es el transistor Q3. Por razones de seguridad, R8 actúa como una resistencia limitadora de corriente.

Señal de alarma

IC2 es el último chip, que es un bucle con bloqueo de fase CMOS 4046BE. Sin embargo, en este diseño, solo la parte VCO es crucial. Un comparador de fase se utiliza adecuadamente, pero solo como inversor del circuito de alarma.

La inversión de la salida del VCO da como resultado una salida de dos fases que permite que el resonador cerámico LS1 reciba un voltaje pico a pico que es dos veces el voltaje de suministro.

Como resultado, se produce una señal de alarma chirriante. Si es necesario, la salida del pin 4 de IC2 se puede mejorar y utilizar para energizar un altavoz estándar. El condensador C6 y la resistencia R12 funcionan como partes de temporización para el VCO. Los componentes electrónicos proporcionan una frecuencia de salida estable de alrededor de 2 kHz, que es la zona donde el resonador cerámico alcanza la máxima eficiencia.

La señal de modulación es producida por un oscilador de relajación de uniunión típico del transistor Q4. Esto proporciona una forma de onda de rampa divergente a 4 kHz.

Como instalar

Comience con RV1 en el punto medio y RV2 determinado para la salida máxima que se gira completamente en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Con un multímetro (si está disponible), configure RV2 a su voltaje de CC mínimo y únalo a través de R3 mientras la sonda negativa está conectada a la línea de suministro negativa.

Encienda la unidad y coloque los transductores frente a una pared o cualquier superficie lisa a unos 10 o 20 cm de distancia.

Cuando se activa RV1, habrá lectura o movimiento en el multímetro, y luego RV1 se sintoniza para alcanzar la lectura máxima posible.

Se recomienda encarecidamente fijar un conductor a través de SW1 cuando se realiza la regulación porque el generador de alarma está silenciado y su salida no puede afectar las mediciones.

En caso de que un multímetro no esté disponible, RV1 se puede sintonizar empleando el método de prueba y error para descubrir un valor que funcione para toda la pieza.

Aunque RV2 está bien protegido, la unidad de alarma sigue siendo sensible. La ubicación de montaje debe estar bien planificada para la unidad. Un buen lugar estaría ligeramente por encima del banco de trabajo del operador, donde existe el mayor riesgo de incendio debido a las herramientas eléctricas y los materiales de soldadura.

Otra ventaja de colocar la unidad más arriba es que el aire caliente se elevará y facilita la activación de la alarma sin los riesgos de señales falsas creadas por personas que corren por la habitación.

Con algunas pruebas, se puede lograr una posición adecuada sin las consecuencias de factores humanos y una sensibilidad estable para el generador de alarma contra incendios.

Para probar la efectividad de la posición de la unidad, se coloca un soldador en funcionamiento debajo y delante del componente.

Cuando se produce suficiente aire turbulento, debe activar la alarma. Al encender, el circuito se energizará, pero esto se puede anular inmediatamente colocando el SW1 en reinicio.

El circuito de alarma de incendio ultrasónico no está diseñado con un interruptor de retardo de encendido, pero su presencia detrás de la unidad debe estar asegurada al operar SW1. No hay riesgo si quita la mano después de activar el interruptor.

Lista de partes

Diseño de PCB y diseño de pistas

Imagen de prototipo




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