ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ ЕМКОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
NOISE-RESISTANT CAPACITANCE DEVICE FOR SECURITY ALARM

Изобретение относится к техническим средствам охраны, а именно к электронным устройствам формирования сигнала тревожного извещения при приближении посторонних к антенне-датчику.
Известно «Устройство емкостного типа для охранной сигнализации», с формированием сигнала срабатывания во входном LC-контуре, зарегистрированное в 2008 г. в качестве полезной модели, патент №79348 (в настоящее время конструкция переоформляется в изобретение, регистр. № заявки: 2008149475).
В вышеуказанном устройстве (фиг.1) достигнута высокая чувствительность и помехоустойчивость за счет того, что рабочее ВЧ-напряжение на LC-контуре, находящемся в частично расстроенном состоянии по отношению к ВЧ-сигналу с генератора, сильно зависит от своей емкости и емкости антенны-датчика, кроме того, LC-контур, сохраняющий свои селективные свойства, подавляет (шунтирует на корпус) электромагнитные наводки и радиопомехи.
Способность контура подавлять помехи зависит от величины его добротности, имеющей конечное значение, поэтому LC-контур подавляет помехи только в том случае, если они не превышают определенного значения. При работе емкостного устройства в городских условиях, поблизости от мощных источников радиопомех - промышленных предприятий, теле- и радиостанций, а также во время грозы или при работе неподалеку мощных электроинструментов, электросварочных аппаратов и т.п. - могут произойти ложные срабатывания емкостного устройства.
Для повышения помехозащищенности и обеспечения устойчивой работы в условиях сильных радиопомех и наводок разработана конструкция «Помехоустойчивое емкостное устройство для охранной сигнализации» (фиг.2), предлагаемое к регистрации в качестве изобретения и отличающееся тем, что с целью подавления радиопомех и наводок в емкостное устройство введен второй канал обработки сигнала 2, идентичный первому каналу обработки сигнала 1 и содержащий последовательно соединенные: второй LC-контур с антенной-датчиком, идентичный первому LC-контуру; второй детектор, идентичный первому и выполненный на транзисторе из одной комплементарной пары с транзистором первого детектора; фильтр нижних частот, идентичный первому Ф.Н.Ч.
Сигнал на срабатывание устройства формируется на выходе формирователя сигнала срабатывания, состоящего из ВЧ-генератора, источника питания и двух идентичных каналов обработки сигнала, во входные LC-контуры которых поступают сигналы от антенн-датчиков, установленных на входе устройства. Антенны-датчики также идентичны, и электромагнитные помехи оказывают на них одинаковые воздействия. Эти помеховые сигналы в каждом из каналов поступают на идентичные входные LC-контуры, где они преобразуются в электрические сигналы, затем выпрямляются в идентичных высокоомных детекторах, после чего подаются на входы идентичных фильтров нижних частот и, в итоге, на выходах каждого из каналов образуются одинаковые по амплитуде и фазе уровни напряжений. Эти напряжения на выходах каналов относительно общего провода одинаковые, а относительно друг друга - нулевые (отсутствует разность потенциалов между выходами каналов). При воздействии различных по своей мощности радиопомех и наводок напряжение между каналами остается неизменным - близким к нулю.
Это напряжение является управляющим для работы усилителя сигнала, и если оно нулевое, то и на входе усилителя сигнал будет отсутствовать - происходит взаимокомпенсация (взаимоисключение) помеховых сигналов. Усилитель должен быть подключен к формирователю сигнала срабатывания следующим образом: входной вывод усилителя соединяется с выходом одного из каналов обработки сигнала, а нулевой вывод (вывод общего провода усилителя) соединяется не с общим проводом каналов, а с выходом второго канала обработки сигнала. Общий провод схемы усилителя не должен быть соединен с общим проводом каналов обработки сигнала, и питание на усилитель должно поступать от отдельного источника.
При приближении нарушителя к охраняемому рубежу - воздействие на антенны неодинаковое - на одну из них воздействие сильнее, чем на другую, и напряжения на выходах каналов обработки сигнала перестают быть одинаковыми. В результате, на входе усилителя появляется разность потенциалов, образуя сигнал на срабатывание устройства. В данной конструкции каналы обработки сигнала идентичны по отношению к помехам, но различны по отношению к сигналам приближения нарушителя, таким образом, радиопомехи и наводки взаимокомпенсируются и подавляются, а сигналы воздействия нарушителей проходят на вход усилителя и обеспечивают подачу сигнала тревоги.
Фильтр нижних частот служит для подавления импульсных и высокочастотных помех и наводок, которые не могут взаимокомпенсироваться и подавляться на выходе формирователя сигнала срабатывания: так как каналы обработки сигнала невозможно выполнить абсолютно одинаковыми, и в случае отсутствия Ф.Н.Ч. импульсные и помеховые сигналы высокой частоты на выходах каналов имели бы сдвиг по фазе, и на вход усилителя они бы поступали не одновременно, а с разницей во времени относительно друг друга, из-за чего такие помехи не смогли бы полностью взаимокомпенсироваться, и это вызывало бы ложные срабатывания емкостного устройства.
Частота среза Ф.Н.Ч. должна быть такой, чтобы пропускать сигналы воздействия нарушителей, имеющих инфранизкую частоту, и задерживать остальные частоты.
Детектор выполнен на полевом транзисторе, работающем на нелинейном участке характеристики и выполняющем функции высокоомного, термостабильного и экономичного детектора.
Схему, представленную на фиг.2 и описанную выше, можно считать основной - в ней обеспечивается наибольшая точность срабатывания емкостного устройства.
Конструкция имеет частные случаи выполнения - они представлены на фиг.3-5.
Схема на фиг.3 является упрощенным вариантом конструкции и отличается тем, что катушки обоих входных контуров размещены на одном каркасе - на его противоположных концах и находятся в одном общем экране. Данная конструкция отличается следующим полезным свойством: в ней используется всего одна деталь намоточного типа и один экран вместо двух, что упрощает, а также удешевляет изготовление устройства.
Вместе с тем чувствительность у данной конструкции меньше по сравнению с конструкцией на фиг.2: по причине близкого взаимного расположения помещенных в один экран катушек входных LC-контуров между ними существуют паразитные емкостные связи, и при приближении нарушителя к какой-либо из антенн: изменение емкости одного из контуров оказывает воздействие на настройку другого контура, изменяя на нем, с тем же знаком, уровень ВЧ-напряжения и, как следствие, потенциал на выходе канала обработки сигнала, что понижает чувствительность конструкции.
На фиг.4 представлен частный случай изобретения, отличие которого состоит в следующем: между формирователем сигнала срабатывания и усилителем установлен согласующий узел 3, предназначенный для согласования формирователя сигнала срабатывания, имеющего два выхода (выходы каналов обработки сигнала), со входом усилителя, имеющего лишь один вход. Согласующий узел обеспечивает возможность подключения общего провода схемы усилителя к общему проводу схемы формирователя сигнала срабатывания, что позволяет исключить из конструкции второй источник питания.
Чувствительность данной конструкции ниже по сравнению с конструкцией на фиг.2, т.к. согласующий узел вносит затухание в сигнал (уменьшает его амплитуду), что ухудшает отношение сигнал/шум и соответственно понижает чувствительность, увеличивается так же количество деталей в конструкции.
Согласующий узел может выполняться в различных вариантах, с использованием оптронов, трансформаторов и т.п., возможно также применение транзисторных каскадов, выполненных по схемам с высоким входным сопротивлением и установленных на входе согласующего узла с целью снижения емкости входных (разделительных) конденсаторов, а в некоторых случаях и для их исключения.
Схемы на оптронах могут быть диодно-резисторными, фотодиодными, составными фототранзисторными и др., на фиг.4 представлен диодно-резисторный вариант согласующего узла.
Согласующий узел 4 на основе трансформатора представлен на фиг.5. При приближении нарушителя к какой-либо из антенн образуется разность потенциалов между выходами каналов обработки сигнала, и, как следствие, появляется нарастающее напряжение на первичной обмотке 1 трансформатора, что, в соответствии с законом электромагнитной индукции, вызывает появление сигнала на вторичной обмотке 2 трансформатора, выход которой соединен со входом усилителя, повышающего амплитуду сигнала до необходимого уровня. Для согласования сравнительно невысокого входного сопротивления трансформатора с выходами каналов обработки сигнала возможно применение согласующих транзисторных каскадов между трансформатором и выходами каналов обработки сигнала.
На фиг.6 представлен вариант изобретения, включенный в формулу в качестве независимого пункта и имеющий принципиальные отличия от конструкций, представленных на фиг.1, 2.
Из каналов обработки сигнала исключены LC-контуры, а ВЧ-напряжение с выхода генератора, через разделительный конденсатор малой емкости, поступает на вход высокоомного детектора, параллельно соединенного с антенной-датчиком. При этом уровень ВЧ-напряжения, поступающего на вход детектора, находится в зависимости от емкости антенны-датчика и уменьшается при приближении нарушителя к антенне.
Как известно, между антенной и общим проводом устройства существует емкость, которая при приближении человека возрастает, а при удалении - уменьшается.
Разделительный конденсатор и антенна-датчик образуют на выходе генератора делитель ВЧ-напряжения, один из элементов которого - конденсатор, а другой элемент - антенна, изменения емкости которой вызывают изменения уровня ВЧ-сигнала, поступающего на вход детектора.
Пояснения представлены на фиг.7, где:
ант.
С - емкость антенны-датчика, т.е. емкость между элементами антенны и общим проводом устройства. Величина этой емкости невелика, зависит от конструкции антенны и находится на уровне нескольких пикофарад.
разд.
разд.
ант
Емкость разделительного конденсатора С зависит от емкости антенны-датчика и от чувствительности детектора - от его минимальной входной амплитуды. По своей величине емкость С должна быть сравнима с емкостью С.
разд.
ант.
ВЧ-напряжение в т.А, т.е. на выходе делителя С - С определяется в соответствии с формулой
с
ант.
с ант.
U=J/R, где R - это емкостное сопротивление Х для С: Х
J - сила тока в цепи делителя:
вч. генер.
с ант.
с разд.
вч. генер.
J=U / Х + Х, где U - напряжение сигнала на выходе генератора.
Таким образом, ВЧ-напряжение в т.А и на входе детектора определяется формулой:
вч т.А
с ант.
вч генер.
с ант.
с разд.
U = Х × U / Х+ Х
разд.
с разд.
При больших значениях емкости разделительного конденсатора С величина Х станет пренебрежимо малой и формула приобретет вид:
вч т.А
с ант.
вч генер.
с ант.
вч генер.
U = Х × U / Х = U
разд.
разд.
вч т.А
из чего следует, что при больших емкостях С сигнал с выхода генератора поступает на вход детектора независимо от сигнала воздействия с антенны-датчика, т.е. устройство теряет чувствительность, из этого следует, что чем меньше емкость разделительного конденсатора С, тем более существенно изменяется U и потенциал на входе детектора при приближении нарушителя к антенне.
разд.
вч напр.
разд.
Вместе с тем уменьшение емкости С вызывает понижение амплитуды ВЧ-напряжения на входе детектора, ухудшает отношение сигнал/шум, из-за чего, U может оказаться ниже порога чувствительности детектора, поэтому оптимальное значение емкости С определяется эмпирически, методом подбора, в зависимости от конкретной схемы емкостного устройства.
разд.
Функции С может выполнять любой пассивный радиоэлемент, например дроссель или резистор сопротивлением в несколько десятков кОм. Любой из пассивных элементов является элементом сопротивления (узлел сопротивления) в цепи генератор - канал обработки сигнала.
С выхода детектора сигнал поступает на вход фильтра нижних частот, выделяющего полезный сигнал, затем подается на вход усилителя сигнала, установленного с целью повышения чувствительности устройства.
В представленной конструкции выходы каналов обработки сигнала подключены не к усилителю, как на фиг.2, а к схеме сравнения - компаратору, сравнивающему уровни напряжений на выходах каналов и подающему сигнал, когда эти уровни перестают быть одинаковыми. Общий провод схемы сравнения соединяется с общим проводом каналов обработки сигнала, что позволяет исключить второй источник питания.
Входные LC-контуры в данной конструкции отсутствуют, поэтому чувствительность и устойчивость к воздействиям электромагнитных помех у нее меньше по сравнению со схемой, представленной на фиг.2. Конструкция на фиг.6 проще и технологичнее в изготовлении и налаживании.