Занимательная электроника. Нешаблонная энциклопедия полезных схем Кашкаров Андрей

Сегодня не в диковинку «картина маслом», когда шлагбаум на въезде во двор дома (гараж, автомобильный паркинг, иная охраняемая территория) открывается автоматически. В кабине автомобиля сидит водитель и нажимает на кнопки пульта дистанционного управления размерами со спичечный коробок. В моем случае это брелок серии (системы) TWIN, работающий на частоте 433.92 МГц, полностью совместимый с брелками-передатчиками CAME более ранних (старых) серий TOP и TAM (см. рис. 1.43).

Изделие разработано и произведено компанией CAME CANCELLI AUTOMATIC S.pA.

Технические данные:

Питание (постоянное от элемента DC 12V 23A) с напряжением 12 В.

Рабочая частота – 433,92 МГц.

Роллинг-код – 4 миллиарда комбинаций.

Каналов – 2 или 4 (в зависимости от модели).

Реальная (именно реальная, проверенная на практике) дальность действия – 0-20 м.

Рис. 1.43. Внешний вид брелока-ПДУ для открывания шлагбаума на охраняемой территории моего дома

Рис. 1.44. Вид на вскрытый корпус ПДУ (брелок) системы Came – десять микропереключателей

Коротко говоря, перед нами универсальный пульт дистанционного управления, произведенный в КНР, работающий на частоте 433,92 МГц и поддерживающий одновременно до четырех каналов.

Такой пульт имеет много достоинств, особенно в сравнении с системами (пультами) более старыми. Приемником сигнала в данном случае служит плата AF43TW, и по этому ориентиру можно найти информацию (или домыслить), какими совместимыми электронными системами/устройствами она может управляться. Два слова скажу об особенностях системы Came Twin2/Twin4; это важно для общего понимания предлагаемой в статье новации.

Серия TWIN с помощью десятипозиционного микропереключателя (см. рис. 1.44) позволяет установить защитный код и предотвратить нежелательное копирование брелков-передатчиков.

Микропереключатели, показанные на рисунке 1.44, в некоторых кругах называют 10-пиновым чипом.

1.8.1. Практические сведения о новом уровне защиты (в том числе от копирования)

Новый уровень защиты существенно поднял цену на брелоки и систему (состоящую из приемника – платы конфигурации AF43TW и передатчика – ПДУ-брелока) в целом. И эта защита была создана в ответ на «рассекречивание» и относительную доступность для копирования (клонирования) ПДУ при наличие оригинального пульта и новых (^запрограммированных) брелоков (ПДУ).

Брелок Came Twin4 содержит светодиодный индикатор, четыре или две (в зависимости от конфигурации) кнопки, набор (линейку) из 10 микропереключателей для ввода (подтверждения) защитного кода (пароля). В ПДУ установлены (подключены последовательно) две дисковые батареи CR2016 (Li-ion) с номинальным напряжением 3 В каждая.

Таким образом, эквивалентное постоянное напряжение питания брелока составляет 6 В. Модель печатной платы (скопировано с оригинальной платы) 78487V5 7FLITI9BF1Mb. Ссылка на специальный сайт производителя – для дополнительной информации: http://pulti-came.ru/index.php.

Можно ли скопировать такой брелок? Есть ли оборудование для копирования? Такими вопросами буквально «засыпаны» форумы Интернета. Действительно, сегодня пришло время автоматических ворот и шлагбаумов, обслуживающие организации в силу разных причин не всегда могут быстро предоставить «прописанный» в память системы брелок. Поэтому услуги по перепрограммированию брелоков – ПДУ современных систем востребованы как никогда. Представьте себе, правление ТСЖ за существенную стоимость продает «запрограммированные» брелоки владельцам квартир большого дома, на придомовую территорию которого распространяется «режим» (территория огорожена, имеет шлагбаум), чтобы «ушлые» соседи из других домов не парковали свои машины в ситуации катастрофической нехватки свободной земли под парковки в мегаполисах. А те, кто не хочет платить, думают взять у соседа попользоваться брелоком, потихоньку снести его «технарю» и «клонировать» почти даром. Настройка канала пульта на заданную частоту легка и доступна без обращения к специалисту. Но… это только кажется.

Такие рационализаторы понимают, что код брелока – это кодированный радиосигнал, который передается на расстояние при нажатии кнопок. Код брелока у старых ПДУ – фиксированный (статический). Относительно новые пульты (плата/конфигурация AF43TW популярна уже 2 года) имеют технологию динамического роллинг-кода (плавающего кода); он меняется каждый раз, когда пользователь нажимает кнопку брелока, при желании открыть или закрыть ворота, шлагбаум, автоматическую дверь-роллету гаража.

Разумеется, плавающий код в части безопасности надежнее фиксированного. Роллинг-код имеет миллиарды кодовых комбинаций, то есть можно быть почти уверенным, что при использовании брелоков с роллинг-кодом последний не повторится (к примеру, http:// www.bftrus.ru…_code/index.php).

Действительно, для копирования оригинального пульта не нужно никакого оборудования, достаточно поднести новый незапрограммированный брелок к оригинальному (запрограммированному) и нажать кнопку.

Положите новый (самообучаемый) брелок рядом со старым, исходным (запрограммированным) брелоком на расстоянии 1–2,5 см друг от друга в горизонтальной плоскости. Вторым действием нажмите первую кнопку «открыть» самообучаемого брелка и удерживайте ее нажатой.

При этом нажмите аналогичную (по расположению на корпусе брелока) кнопку «открыть» исходного брелока и удерживайте ее нажатой, пока на самообучаемом брелоке не будет двухкратной (в некоторых системах – однократной) вспышки светодиода, указывающей на завершение операции копирования. Для копирования других кнопок повторите ту же операцию.

Таким образом, на новый брелок можно скопировать любой уже прописанный в системе брелок с фиксированным кодом. Брелоки с фиксированным кодом имеют чипы: PT2240, PT2260 PT2262, EV1527 FP527, AX5326, PT2242, HT600 HT6207, HT6010 HT6012, HT6014, AX5326-4, SMC5026 SMC5326-3, SMC5326-4, SMC918, SMC918 SMC918-3-4, HT680. Чтобы убедиться в этом, откройте крышку корпуса брелока.

Таким же простым способом нельзя скопировать брелок Came Twin4, поскольку в них используются чипы с маркировкой HCS301, ACM1330/1550 и др., имеющие плавающий код (с каждым новым включением брелока код меняется); проблему копирования не удастся решить при помощи простого дублирования самообучаемых брелоков. Потребуется еще кодовая комбинация, устанавливаемая при копировании как на пульте «доноре», так и на новым (вновь программируемом). И эту комбинацию (по аналогии с pin-кодом) знает только тот, кто монтирует систему (или еще ограниченный круг лиц, включая председателя ТСЖ).

Таким образом, подтверждается повышенная относительно более старых моделей защищенность от взлома брелоков типа Came Twin2/Twin4 и аналогичных.

Но… допустим с программированием/клонированием у вас все в порядке и вы имеете вожделенный «ключ» от общих ворот, можете ставить свою машину на придомовой территории вполне законно. При въезде на территорию (за несколько метров от шлагбаума) кратковременно нажимаете одну кнопку, при выезде – вторую.

Говорят, что все изобретения в мировой истории происходили от лени, от желания облегчить себе труд. Тогда логично, что в данном случае на ум рачительному хозяину приходит рационализаторская идея, как сделать так, чтобы ворота открывались сами при приближении к ним автомобиля, а не нужно было бы тактильно нажимать каждый раз на кнопки, сетовать на свою забывчивость (брелока, к примеру, дома), его утерю, или падение в труднодоступное место между передними и задними сиденьями компактного автомобиля с кузовом «седан».

И тут на помощь приходит автоматика. Один из самых простых вариантов решения проблемы (идеи), какой я использовал на своей практике, – транзисторный мультивибратор, управляющий реле К1, а оно, в свою очередь – двумя кнопками брелока Came Twin2/Twin4.

Его электрическая схема представлена на рисунке 1.45.

Данную электрическую схему мультивибратора можно с полным правом назвать простой и доступной. Особенность устройства – в его подключении последовательно с нагрузкой, которой в базовом варианте служит реле на напряжение 12 В, включенное в разрыв питания нагрузки.

Рис. 1.45. Электрическая схема транзисторного мультивибратора, «нагруженного» (управляющего) на реле

Схема представляет собой генератор на комплементарных транзисторах разной проводимости. Открывание транзистора VT2 происходит в такт заряда-разряда накопительного конденсатора С2. От емкости этого конденсатора и сопротивления резистора R3 зависит частота переключения реле К1.

Оксидный конденсатор С1 совместно с диодом VD1 служит для обеспечения питания устройства в тот момент, когда транзистор VT2 полностью открыт и на реле К1 воздействует почти полное напряжение питания.

Транзисторы 2SA733 и 2SD965 выбраны специально, поскольку имеют подходящие электрические характеристики. Напряжение U_кбо не менее 40 В, запас тока в импульсном режиме, коэффициент усиления h_2le не менее 200, частота переключения до 100 Гц, температурный диапазон -55…+125 °C и малогабаритный корпус типа ТО-92 (или SC-43A) позволяют сделать конструкцию надежной и миниатюрной.

Поскольку при напряжении питания 12 В частота открывания перехода коллектор-эмиттер VT2 примерно 0,5 Гц, а скважность (пауза между вспышками) – в 2,5 раза больше, данный транзистор не успевает перегреваться, даже если мощность нагрузки (реле или иной активной нагрузки) увеличить в 2 раза.

При понижении напряжения питания частота вспышек уменьшается, и наоборот. Работоспособность устройства сохраняется даже при падении питающего напряжения до 4 В; и если вместо электромагнитного реле К1 включить низковольтную лампу накаливания с номинальным напряжением 2,4–3,5 В, можно получить прерыватель тока в цепи с соответствующим напряжением. Лампа будет мигать.

Поэтому с помощью рассмотренной разработки можно сделать и мигающий фонарь (применяемый вместо знака аварийной остановки), и «исправить» вышедший из строя проблесковый маячок. Например, быстро «починить» маячок оранжевого цвета (обозначающий дорожную спецтехнику), если в нем откажет электродвигатель.

Для адаптации устройства в большегрузных автомобилях с напряжением бортовой сети 24 В устройство потребует незначительной доработки, в частности замены транзистора VT2 на другой, с тем, чтобы П_кэ было выбрано с запасом (более 30 В). Также потребуется применить оксидные конденсаторы с большим рабочим напряжением.

Кроме автомобиля устройство удобно применять в широком спектре возможностей: индикация включения/ выключения, детские игрушки (например, сделать мигающими глаза мохнатой собаки), устройства сигнализации. Если вместо К1 включить звуковой капсюль со встроенным генератором 34, например FXP-1205B, звук будет прерывистым.

Вариантов применения данного устройства много и они ограничиваются только фантазией радиолюбителя.

1.8.2. Об особенностях устройства, деталях и монтаже

Транзистор 2SA733 можно заменить на аналогичный транзистор средней мощности, например, КТ502 с любым буквенным индексом. 2SD965 можно заменить на транзистор 2SC945 или отечественный КТ503 с любым буквенным индексом.

Все постоянные резисторы – типа МЛТ-0,25, MF-25. Оксидные конденсаторы фирмы Hitano могут быть замены отечественными типа К50-29, К50-35.

Диод VD1 заменяют на 1N4001, 1N4002, КД522 с любым буквенным индексом или аналогичный.

Реле К1, показанное на схеме (рис. 1.45), потребляет ток 0,06 А. Переход коллектор-эмиттер транзистора VT2 рассчитан на ток до 0,8 А, а в импульсном режиме – до 4 А. Из этого следует исходить при выборе (вместо К1) другой нагрузки для рекомендованного устройства.

Элементы устройства (из-за малочисленности) собраны на макетной плате размерами 1,5х2,5 см. Такая небольшая плата удобно устанавливается в корпус от автомобильного реле (например, типа 3747-06) или в другой компактный.

Соединения между элементами выполнены перемычками из провода МГТФ-0,6.

Устанавливать на теплоотводы транзисторы не требуется.

Мультивибратор часто используется радиолюбителями для построения популярных схем и устройств. Его несложное устройство на 2 транзисторах с успехом может заменить неисправное реле-прерыватель в автомобиле или иной электронный узел в цепи питания 10–15 В.

К примеру, можно использовать и другую схему мультивибратора, любой прерыватель тока, нагруженный на реле с обязательным условием выбранной частоты переключения (включения) реле не быстрее 1 раза в 2 секунды. Реле, в свою очередь, замыкает контакты кнопок 1 и 2 на ПДУ (брелоке). Второй контакт для обеих кнопок – общий и соединен с «общим проводом» – «минусом» питания. Это и позволило решить вопрос довольно простым методом (см. электрическую схему на рисунке 1.45)

Рабочая частота переключения для данного устройства найдена опытным путем, таким образом, устройство, включенное с помощью SB1, способствует поочередному замыканию контактов кнопок «открыть» (1) и «закрыть» (2) на брелоке. Провода от реле к кнопкам брелока имеют минимальную длину 10–12 см и сделаны с помощью провода МГТФ-0,6 (рис. 1.46).

Рис. 1.46. Вид на подключение проводников к печатной плате брелка

Из пластмассового корпуса брелока Came Twin2/Twin4 они выводятся через прорезь, сделанную бокорезами.

Сам брелок расположен и закреплен с помощью одного самореза в моей автомашине в передней ее части, в технологическом отверстии (нише) рядом с решеткой радиатора (с внешней стороны).

Включатель SB1 можно не устанавливать вообще (или не выключать) – на длительную и надежную работоспособность устройства это почти не влияет, если не считать относительно быстрого разряда батарей в брелоке (за месяц). Но здесь на помощь придет электрическая схема стабилизатора напряжения на микросхеме КРЕН5, представленная на рисунке 1.47.

Рис. 1.47. Электрическая схема адаптера напряжения 5 В

С ее помощью вообще нет нужды думать о смене элементов питания (они из брелока изымаются), поскольку для ПДУ обеспечивается стабилизированное напряжение +5 В, от которого брелок работает стабильно. Подключение стабилизатора-адаптера производится к цепи питания, идущей от замка зажигания автомобиля (питание подано при включении зажигания).

Напряжение питания устройства можно довести до 16 В, что вполне возможно при работающем двигателе автомобиля.

В результате при подъезде автомобиля с включенной системой к воротам попеременно, с частотой один раз в две секунды включаются кнопки 1 и 2 на брелоке, поэтому как въездные, так и выездные ворота открываются без участия водителя. Устройство исправно работает в моем автомобиле второй год.

Об ионисторах сегодня говорят много, и сфера их применения расширяется. Как одна из альтернатив аккумуляторам (особенно малой емкости и напряжения) ионистор вполне пригоден к выполнению широких практических задач при проектировании современные электронные приборов и устройств в блоках резервного или автономного питания. По своему функционалу – накопление и резервирование (аккумулирование) энергии, сохранение разницы потенциалов – сверхмалому току утечки и по определению сверхбольшой емкости (при малом рабочем напряжении) ионисторы также называют суперконденсаторами. По сути, ионистор можно сравнить с импульсным электрическим устройством, обладающим высокой удельной мощностью при небольшой энергоемкостью, в котором получение и сохранение энергии обусловлены химическими процессами. Тем не менее есть ряд случаев в практике, когда обойтись без ионистора действительно невозможно. Об этом и поговорим далее.

Какие же это случаи? Во-первых, задачи реализации автономного питания, когда речь идет о больших, но кратковременных начальных токах. Примером может послужить электроинструмент малой и средней мощности с аккумуляторным (автономным) питанием. Если в этом случае использовать – логичную на взгляд автора – комбинацию АКБ и оксидного (электролитического) конденсатора большой емкости на соответствующее условиям задачи рабочее напряжение, тогда АКБ обеспечивает относительно долговременное питание устройству, а конденсатор – кратковременный ток в нагрузке. Тот же частный случай представляет собой батарею из нескольких аккумуляторов с конденсатором большой емкости.

На этом примере удобно доказать нужность непосредственно ионистора как относительно нового, отдельного и безусловно полезного класса электронных элементов.

Под воздействием разности потенциалов, возникающей при включении ионистора в электрическую цепь постоянного тока в двойном электрическом слое, находящемся на границе электролита и электрода, накапливается электрический заряд. Это поясняет образование «двойного электрического слоя» в ионисторах. В то время как обычный конденсатор представляет собой два элемента, изготовленные из металлической фольги и разделенные между собой слоем диэлектрика, ионистор – принципиально другое устройство, представляющее собой комбинацию обычного конденсатора с химическим аккумулятором. Обкладки разделены между собой слоем электролита. Для изготовления обкладок используется не фольга, а специально подобранные материалы, выбор которых во многом определяет свойства ионистора. В частности, для их изготовления могут использоваться токопроводящие полимеры, оксиды металлов и даже активированный уголь (его применение позволяет не только снизить их себестоимость, но и повысить их электрическую емкость).

1.9.1. Отличия ионистора от АКБ и «классических» конденсаторов

В отличие от «классических» АКБ в ионисторе не используются необратимые и обратимые химические реакции, и он более универсален, даже безопасен. Кроме того, ионистор может применяться в устройствах с более широким температурным режимом (диапазоном). Низкий ток утечки ионистора предполагает высокое сопротивление изоляции (в том числе обкладок), большую емкость в несколько Фарад (к слову, общая емкость земного шара, по оценкам некоторых ученых, составляет всего 6 Ф). В плюсы также можно записать длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки и десятки тысяч циклов заряд/разряд при наработке до отказа.

Электролиты для ионисторов также используются различные. Они могут быть органическими или водными. Применение органического электролита позволяет получить высокое напряжение заряда, но при этом возникает повышенное внутреннее сопротивление ионистора. При использовании водного электролита напряжение заряда не превышает 1 В, но и внутреннее сопротивление ионистора при этом невелико.

С другой стороны, один из недостатков ионистора – появление в нем лавинных токов утечки при напряжении, превышающем его рабочее напряжение, как правило, 2,5, 5,5 или 6,3 В). Это приводит не только к саморазряду ионистора, но и может стать источником опасности при эксплуатации.

Для получения высоких значений напряжения, необходимых для работы автономной электрической сети, ионисторы можно включить в систему последовательно. При этом общее полученное напряжение будет равно сумме значений напряжения, используемых для этого устройства.

Ионистор не имеет диэлектрического слоя (в отличие от электролитических конденсаторов, где в качестве диэлектрика между обкладками применяется оксид алюминия, а в танталовом – пленка из оксида тантала – за это такие «емкости» и называют «оксидными»). Вместо этого процесс зарядки/разрядке в ионисторе происходит непосредственно в слое ионов, на поверхностях соответственно положительного и отрицательного электродов – физический механизм двойного электрического слоя. Так, под воздействием напряжения на выводах ионистора заряженные частицы (анионы и катионы) движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности. Вместе с зарядом самого электрода это образует «двойной электрический слой».

Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приведет к его отрицательному заряду, что неизменно вызовет скопление (у его поверхности) положительно заряженных катионов.

Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, то электроды получаются окруженными двойным облаком ионов, имеющих противоположные заряды. Поэтому получается необычный плоский, но емкий конденсатор, расстояние между обкладками которого равно лишь радиусу иона. К примеру, для получения электрического поля напряженностью 1 000 000 В на обкладках такого конденсатора достаточно иметь разность потенциалов, равную 1 В.

Для предотвращения проникновения ионов между электродами расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет защитить прибор от внутреннего короткого замыкания.

Таким образом, широко известная сегодня аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) и обозначает ионистор как «конденсатор с двойным электрическим слоем.

1.9.2. Достоинства ионисторов

• Очень высокая емкость.

• Низкое внутреннее сопротивление.

• Высокая проводимость.

• Быстрый разряд.

• Длительный срок эксплуатации.

• Практически неограниченное количество циклов разряда.

• Низкая стоимость.

• Простота зарядки.

При этом ионисторы имеют ряд характерных особенностей:

• обладают высокой удельной плотностью энергии (ресурс соизмерим с ресурсом АКБ, в комплекте с которыми используются суперконденсаторы);

• имеют высокий КПД;

• практически не имеют утечки;

• не реагируют на изменение температуры.

Все это делает возможным их перспективное использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветрогенераторов.

Потенциал таких устройств поистине безграничен. Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам:

E = CU²/2 (Дж) и P = U²/4R (Вт),

где С – емкость, Ф; U – напряжение на электродах, В; R – эффективное последовательное сопротивление, Ом.

Внутреннее омическое сопротивление при +25 °C имеет порядок величины 5-15 МОм.

Внутреннее сопротивление R ионистора может быть рассчитано по формуле:

R_вн= U/|_кз,

где R_вн – в Омах; U – напряжение на ионисторе, В; I_кз – ток короткого замыкания, А.

К примеру, для ионистора К58-3 зарубежный аналог DC-2R4D225 – R_вн= 10-100 Ом.

Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:

C = I t / U,

где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от U_ном до нуля, с.

Или же по формуле:

C = S/d,

где d – толщина двойного электрического слоя (нм, обычно 5-10), а S – общая площадь поверхности электрода, состоящего из активированного угля.

Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы.

Электрод ионистора – по определению – представляет собой совокупность сверхбольшого количества частиц активированного угля, он имеет и огромную площадь поверхности, до 3000 см²/г.

Габариты некоторых ионисторов показаны на рисунках 1.49 и 1.50. К примеру, ионистор 1 Ф на напряжение 5,5 В (модель 1905V) выглядит так, как показано на рисунке 1.49.

Рис. 1.49. Внешний вид зарубежного аналога ионистора К58-3 емкость 1 Ф на напряжение 5,5 В(модель 1905V)

Рис. 1.50. Ионистор К58-9а: внешний вид

Таким же будет и внешний вид ионистора К58-1В 1 Ф на напряжение 6,3 В.

Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой) – см. внешний вид на рисунке 1.49.

Ионисторы К58-96 и К58-9в (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.

Напряжение «разложения». Чтобы раскрыть это понятие, надо рассмотреть материал электролитов, который используется производителями ионисторов. А это прежде всего водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые) электролиты. Двойной электрический слой работает как изолирующий (диэлектрик) и при приложении внешнего постоянного напряжения не позволяет протекать «сквозному» току. Причем «органика» позволяет прикладывать к ячейке ионистора напряжение до 3 В, а «водорастворимый» – только до 1,5 В. И при определенном уровне напряжения за счет электрохимических» процессов начинает протекать ток. Именно величина этого напряжения называется «напряжением разложения» (или, если быть наиболее точным – «напряжением электрохимического распада электролита»).

Увеличение напряжения также ведет к более интенсивному разложению электролита, увеличивается ток, и ионистор выходит из строя (пробой). Поэтому ионисторы рассчитаны на столь малое (относительно оксидных конденсаторов) напряжение, ограничены «напряжением разложения» и нередки случаи, когда ионисторы соединяют последовательно.

В принципе ионистор – неполярный прибор. Вывод «+» указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Основные характеристики ионисторов отечественного производства

Рабочая температура инонисторов – в диапазоне от -25 до +70 °C; отклонения емкости от номинальной – от -20 до +80 %.

При изменении рабочего (максимального) напряжения внешний вид ионисторов может существенно отличаться (по габаритам), даже если они имеют одинаковую емкость.

1.9.3. Зависимость условий эксплуатации и долговечности ионистора

Долговечность работы ионистора значительно зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением U_ном при температуре окружающей среды +70 °C гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8 U_ном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6U_ном, а температура окружающей среды – +40 °C, то ионистор будет исправно работать не менее 40 000 часов.

1.9.4. Стандартная схема включения ионистора

Стандартная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рисунке 1.51.

Диод VD1 предотвращает разряд ионистора С1 при «нулевом» напряжении питания (U_n=0). Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от кратковременной перегрузки при включении. Однако если применяемый в конкретном случае источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100–250 мА, такая защита не требуется.

Рис. 1.51. Электрическая схема включения ионистора

1.9.5. Практическое применение ионисторов в электронных схемах

Также и во многих других случаях ионистор эффективно заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания, что рассмотрено далее на конкретном примере.

Электронная сигнализация МТ9021 – современное охранное устройство, предназначенное для охраны квартир, офисов, гаражей, дач или складских помещений. Отличительной особенностью ЭОС МТ9021 является то, что устройство имеет встроенные датчики движения и температуры. При срабатывании датчика движения или при повышении температуры внутри охраняемого помещения до +65 °C прибор осуществляет рассылку sms сообщений по списку телефонных номеров, хранящихся в его памяти. В память МТ9021 можно записать до 5 телефонных номеров для оповещения о происходящих событиях, к примеру, свой номер телефона, номер телефона соседа или номер телефона службы охраны. Основным требованием является то, что в месте установки сигнализации должно быть покрытие оператора сотовой связи сети Мегафон.

Технические характеристики и инструкция пользователя устройства широко доступны, поэтому, чтобы не копировать их и не утомлять читателя лишними подробностями, опустим их. Скажу лишь, что с данной информацией можно ознакомиться самостоятельно на сайте производителя устройства – компании МастерКит, в разделе «сигнализации», задав в поиске номер модели МТ9021.

После подключения к прибору источника питания и включения устройство переходит в режим обучения на 5 минут. В это время имеется возможность получать входящие sms-сообщения для настройки. Затем прибор автоматически переходит в режим охраны.

1.9.6. Варианты усовершенствованиятак для качественной работы

Одним из существенных недостатков данной модели в части ее функционала является шлейф питания к основному блоку. От батарейного отсека идет двухжильный провод длиной 2,5 м, оканчивающийся разъемом BNC (штекер), который вставляется в гнездо того же форм-фактора на корпусе сигнализации.

На корпусе с боку имеется миниатюрный включатель питания. Таким образом, пока питание поступает на печатную плату во включенном режиме сигнализация работоспособна. Но если цепь питания разорвать, все предварительные приготовления по охране объекта теряют смысл. Разорвать цепь питания можно быстрым отключением на штатном включателе, обрывом (обрезанием) провода от батарейного отсека, ударом по батарейному отсеку, при котором нарушится контакт одной из элементов-батарей, включенных в последовательную электрическую цепь, и еще несколькими вариантами.

Практикой выявлена причина нестабильного срабатывания устройства в режиме «охрана». Это несоответствие установки устройства требованиям (по высоте и удаленности от стен, потолка и пола) предельных габаритов помещения-объекта; в небольшом помещении, таком, как автомобиль, где нет возможности, соблюдать эти требования (2 м от пола), срабатывание устройства не надежно. И есть реальная возможность отключения питания еще до посылки «тревожного» sms владельцу имущества.

Для того чтобы sms ушло (было передана по каналу сотовой связи), нужно как минимум 2–3 секунды. И если за это время оперативно разорвать шлейф питания устройства, его можно «обезопасить» для нарушителя.

Установлено, что устройство стабильно работает в диапазоне напряжений питания 3,3–4,7 В (с защитой от неправильной полярности).

Ток потребления в энергосберегающем режиме всего 100 мкА, что и обеспечивает длительную автономную работу устройства от одного комплекта элементов питания.

Доработка заключается в том, чтобы подключить к данному устройству автономное питание прямо в корпусе основного блока. Установленного на штатной позиции оксидного (электролитического) конденсатора С1 недостаточно для обеспечения уверенной работы устройства при отключении питания: он не обеспечит автономную работу в течение 3 секунд, даже если его емкость увеличить (хотя увеличение емкости такого конденсатора неминуемо приведет к увеличению габаритов, а мы в данном случае ограничены корпусом устройства). Поэтому в части усовершенствования промышленной конструкции я пошел двумя альтернативными путями.

Решение с помощью аккумуляторов: подключил параллельно разъему питания в корпусе устройства бывший в употреблении аккумулятор AP-Li-10B/12B с номинальным напряжением 3,7 (емкость 900 мА/ч) от старого фотоаппарата Olympus. Подключение представлено на рисунке 1.52.

Перед подключением данный аккумулятор был вынут из пластикового корпуса с отключением от платы контроллера заряда. Теперь при отключении внешнего питания (от выносного блока с тремя батареями) сигнализация сохраняет работоспособность.

Однако аккумулятор с таким подходящими габаритами и энергоемкостью найдется не у всех. Можно установить Li-Pol-аккумулятор типа LP401230 c тем же номинальным напряжением 3,7 B и энергоемкостью 100 мА/ч (см. рис. 1.53).

Рис. 1.52. Вид на подключенный АКБ AP-LM0B/12B

Энергоемкости 100 мА/ч в данном случае вполне достаточно для решения поставленной задачи. Литий полимерные аккумуляторы многих современных (особенно малофункциональных, простых) сотовых телефонов могут работать без подзарядки больше месяца.

Однако недостаток этого решения в том, что Li-Pol-аккумулятор быстро портится (теряет емкость) в условиях постоянного и продолжительного подключения к источнику питания (в данному случае – внешнему блоку). Хотя в данном случае на это можно не обращать внимания, поскольку «резервный» источник питания нужен только на несколько секунд, сразу после отключения основного (штатного) выносного блока питания.

Рис. 1.53. Вид на Li-Pol-аккумулятор типа LP401230 c тем же номинальным напряжением 3,7 В перед установкой и подключением к корпусу MT9021

Рис. 1.54. Ионистор DB-5R5D474T, подключенный параллельно контактам разъема питания

«Минус» аккумуляторного решения в том, что при постоянно замкнутой цепи включателя питания напряжение приложено к плате до тех пор, пока не разрядится аккумулятор, что прямо зависит от его энергоемкости. Следовательно, отсутствие возможности отключить устройство внешне приведет к тому, что сигнализация будет слать «тревожные» sms постоянно (один раз в 10 минут – в соответствии с программой, заложенной производителем), пока в зоне охраны (датчик движения) находится и перемещается какой-то объект. А этим объектом вполне может быть и хозяин автомобиля. Для этого случая мною предусмотрено простое решение.

Решение с помощью ионистора. Вместо аккумулятора в те же точки – с соблюдением полярности – подключается ионистор емкостью 0,47 Фарады и напряжением 5 В. Стоимость его едва превышает 60 рублей, поэтому такая замена вполне оправданна. Вид на подключенный ионистор марки DB-5R5D474T представлен на рисунке 1.54.

Также и во многих других случаях ионистор эффективно заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания, что рассмотрено далее на конкретном примере. При всех описанных возможностях ионисторы заряжаются и посредством электрического тока.

Ионисторы накапливают энергию в момент максимальной производительности устройств, генерирующих электрическую энергию. И в данном случае ионистор как нельзя лучше подходит для аккумулирования энергии и последующей ее отдачи в короткое время (впрочем, вполне достаточное для уверенного оповещения данной сигнализации посредством отправки sms).

Некритичность режима заряда, практически неограниченное число циклов заряда-разряда, нетребовательность в регламенте (обслуживании) делают ионистор весьма перспективным радиоэлементом в современных электронных устройствах различного назначения.

В данном случае не потребуется накрывать корпус сигнализации «чулком», чтобы ослепить ее электронный глаз, поскольку энергии, отдаваемой ионистором с такими характеристиками емкости (проверено практикой), достаточно только для питания устройства в течение 1–1,5 минут; затем напряжение на его выводах уменьшается ниже значения 3 В, и устройство отключается. Ионистор потом заряжается при подключении штатного выносного блока с элементами питания. А если ту (штатную) цепь питания никто не прерывает, то ионистор постоянно подключен к источнику питания и может работать так сколь угодно долго, беря на себя функцию резервного источника питания, активного в «тревожном» течении 1–1,5 минуты.

Работа с солнечной батареей. При всех описанных возможностях ионисторы заряжаются и посредством электрического тока, получаемого даже от солнечной батареи.

Ионисторы накапливают энергию в момент максимальной производительности устройств, генерирующих электрическую энергию. Чем это удобно в «связке» с солнечной батареей?

По определению, солнечная батарея имеет максимальную производительность при освещенности ее поверхности и при нагреве самой батареи всего лишь до 25–30 °C. Во время ее эксплуатации летом в солнечную погоду (когда солнечные батареи работают с наибольшей отдачей) неизбежен нагрев всей поверхности модуля. И при температуре выше 60 °C производительность солнечной батареи значительно снижается.

В данном случае блоки из батарей ионисторов как нельзя лучше подходят для аккумулирования энергии в момент максимальной эффективности солнечной батареи.

В условиях пиковой нагрузки (в частности, на транспорте) имеется возможность делать запас энергии в период ее минимального потребления и расходовать при увеличении спроса на нее.

Стоимость в розницу К58-10 емкостью 1 Ф на рабочее напряжение 6,3 В – около 200 рублей, 0,47 Ф на напряжение 5,5 В – всего 50 руб.

1.9.7. Особенности заряда и саморазряд

Особенности заряда и саморазряд влияют на общую продолжительность работы прибора.

На процесс саморазряда время заряда не оказывает определяющего влияния (процесс заряда ионистора малым током оптимален при времени заряда 24 часа и более), поскольку внутреннее сопротивление ионистора в данном случае изменяется лишь за счет сопротивления электрическому току перераспределенных ионов. Отсюда чем ниже температура ионистора, тем больше времени уйдет на саморазряд и тем более высоким в долгосрочной перспективе будет срок службы ионистора.

Если взять за время полезной работы ионистора (T_back-up) срок его реальной службы, то он может быть заранее рассчитан по формуле:

Tback-up = CV/i = C х (V₀-_ixR – V₁)/(I + I_L),

где C – емкость ионисторра, Ф; i – ток в течение периода T_back__up, А; I_L – ток утечки, А; R – внутреннее сопротивление ионистора (Ом в расчете на 1 кГц); V₁ – напряжение (В), до которого разрядится ионистор; V₀ – приложенное напряжение, В.

Итак, если взять, к примеру, конкретный ионистор 1905V фирмы Panasonic с параметрами емкости 1 Ф (в расчете 1 Ф – 20 % (допуск) = 0,8 Ф) на напряжение 5,5 В с разрядным током 10 мкА, в условиях: полный заряд при U = 5 В, температура при разряде 40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, – 2 В, то расчет покажет время, в течение которого такой новый ионистор будет эффективно работать при конкретных приведенных условиях как резервный источник питания (между циклами заряда и разряда), – 55 часов.

С ионисторами б/у время это будет меньше и может доходить до половины приведенного в вышеописанном расчете – за счет потери емкости и изменения внутреннего сопротивления – при прочих равных условиях тока зарядки, приложенного напряжения и температуры окружающей среды.

Еще один важный «штрих» по теме – возможное изменение емкости от тока разряда, приложенного напряжения и температуры окружающей среды фактически, проявляется при старении ионистора (эксплуатации свыше 1000 часов) в непрерывных циклах (заряд/разряд).

Сегодня ионисторы нашли широкое применение в электронике. Они используются в сотовых телефонах, серверах и отдельных ПК, в робототехнике, автоэлектронике, струйных принтерах и во многих других современных электронных устройствах. Как элементы они идеально подходят для разработки электрических схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Ионисторы с небольшими токами используются в устройствах резервного питания, схем и электронных узлов памяти, цифровых устройствах.

Ионисторы с относительно большими токами (к примеру, HW-серия) – в электрических схемах управления электродвигателями в автомобильной электронике и во многих других случаях.

Задача для перспективы и будущих разработок: для использования в автономных электрических сетях нужны устройства с аналогичным принципом действия, но более масштабные.