Alarm dotykowy (także na UKF) – prosty układ do wykonania

Alarmy dotykowe to fascynujący, pożyteczny, ale wbrew pozorom także i dość kapryśny "rozdział" elektroniki. Najprostszy tego rodzaju wskaźnik/alarm można zrobić na próbniku napięcia (taki śrubokręcik z oporniczkiem i neonówką w środku), jednak zabawy z wyższym napięciem (230 V) mogą być (ewentualnie) trochę/bardzo niebezpieczne - zwłaszcza dla początkujących elektroników.

W literaturze branżowej oraz w Internecie można znaleźć całkiem sporo schematów urządzeń reagujących na dotyk - od prostych wrażliwych na opór ludzkiej skóry przełączników sensorowych (dotykamy dwóch kabelków), poprzez najbardziej rozpowszechnione "jednokabelkowe" układy reagjące na dotknięcie przez człowieka, który funkcjonuje jako żywa antena "ściągająca" przydźwięk sieciowy (na tranzystorach lub/i tyrystorach wzgl. na układach scalonych) aż po najbardziej "fachowe" układy wykorzystujące pojemność ciała ludzkiego oraz indukcję (na tranzystorach lub cyfrowych układach scalonych).

Przez ostatnie dni eksperymentowałem sobie radośnie z wszystkimi typami układów i doszedłem do wniosku, że konstrukcje wykorzystujące przydźwięk sieciowy są wyjątkowo kapryśne i stosunkowo niepraktyczne, bo jeżeli będziemy chcieli np. podłączyć do takiego układu klamkę, oddaloną od naszego urządzenia o 5, 10 czy więcej metrów, to czułość urządzenia nam to bardzo utrudni lub wręcz uniemożliwi. Warto także nadmienić, że konstrukcje "przydźwiękowe" po prostu nie działają na odludziu, gdzie nie ma stałego sieciowego "brum-brum". Wykonałem między innymi układ na dwóch tranzystorach i jednym tyrystorze małej mocy sterujący diodą LED, jednak w przypadku przewodu łączącego z klamką o długości powyżej 2.5 metra (średnica przewodu 0.5 mm) czułość takiegoż "ustrojstwa" była tak duża, że praktyczne użytkowanie stało się niemożliwe (musiałbym użyć znacznie cieńszego wzgl. ekranowanego przewodu czy też robić bezkontaktowe sprzęgi indukcyjne na krzyżujących się przewodach lub trymerkach wzgl. sztucznie znacznie zaniżyć wzmocnienie tranzystorów). Układy "przydźwiękowe" fatalnie reagują na niebateryjne źródła zasilania (zasilacze), wyzwalają się na skutek różnych zakłóceń zewnętrznych ("pstryknięcie" lutownicą transformatorową, przełączniki, lampy, odkurzacze itd.). Ich wykorzystanie ogranicza się zatem jedynie do takich sytuacji, kiedy przewód połączeniowy nie jest bardzo długi i w pobliżu nie ma źródeł silniejszych zakłóceń elektromagnetycznych.

W bezpłatnym e-booku Colina Mitchella "200 Transistor Circuits - Circuits 1-100" trafiłem jednak na schemat stosunkowo prostego pojemnościowego układu tranzystorowego z tylko jednym elementem indukcyjnym (cewką, którą można bajecznie prosto wykonać ze zwykłego przewodu montażowego czy drutu miedzianego), sterującego zwykłą tanią membraną piezo (do kupienia nawet już od kilkudziesięciu groszy za sztukę). Układ ten u mnie na początku nie działał jak należy, jednak po kilku minutach "zabawy" znalazłem przyczynę - oporniczek łączący emiter pierwszego tranzystora z masą (oryginalnie 1 kΩ) okazał się mieć nieznacznie za małą wartość (przynajmniej na moim "okablowaniu" sensora), więc zastąpiłem go potencjometrem (2.2 kΩ) i układ nie tylko że ożył, ale okazał się rewelacyjnie skalowalny, uniwersalny, a także znacznie idioto- oraz w pełni zakłócenioodporny.

Oto schemat ideowy:

Elementy potrzebne do budowy:

- 3 tranzystory małej mocy o polaryzacji NPN, np. BC547 lub inne podobne

- 1 tranzystor małej mocy o polaryzacji PNP, np. BC557 lub inny podobny

- 1 dioda przełączająca (uniwersalna impulsowa) 1N4148 lub inna podobna

- cewka wykonana z drutu miedzianego w emalii o średnicy 0.5 mm, 16 zwojów na okrągłym rdzeniu formującym (np. patyczku) o średnicy Ø 5 mm ("kijek" formujący później usuwamy i mamy cewkę na "rdzeniu powietrznym"); można nawinąć przewodem montażowym w koszulce igelitowej (średnica żyły miedzianej ma wynosić 0.5 mm); długość cewki około 15 - 20 mm (w razie potrzeby można związać np. nitką, żeby się za bardzo nie rozłaziła; zwoje raczej nie powinny się stykać)

- 1 kondensator 33 pF (najlepiej ceramiczny; oznaczenie 33 lub 330 wzgl. 33K itp.)

- 2 kondensatory 47 pF (najlepiej ceramiczne; oznaczenie 47 lub 470 wzgl. 47K itp.)

- 1 kondensator 100 pF (najlepiej ceramiczny; oznaczenie 101 wzgl. 101K itp.)

- 1 kondensator 10 nF (oznaczenie 103 wzgl. 103K itp.)

- 1 kondensator 22 nF (oznaczenie 223 lub 223K wzgl. 22 nK itp.)

- 1 rezystor 220 kΩ, kod barwny: czerwony - czerwony - żółty

- 1 rezystor 47 kΩ, kod barwny: żółty - fioletowy - pomarańczowy

- 1 rezystor 22 kΩ, kod barwny: czerwony - czerwony - pomarańczowy

- 1 rezystor 10 kΩ, kod barwny: brązowy - czarny - pomarańczowy

- 1 rezystor 2.2 kΩ, kod barwny: czerwony - czerwony - czerwony

- 1 rezystor 100 Ω, kod barwny: brązowy - czarny - brązowy

- potencjometr 2.2 kΩ (montażowy, osiowy lub suwakowy), oznaczenie 2.2 K, 2k2, 222 itp.

- membrana piezo (akustyczny przetwornik piezoelektryczny, czasem niezbyt poprawnie zwana "buzzerem piezo"), bez generatora; na zdjęciu poniżej przykład takiej membrany w obudowie (istnieją także analogiczne przetworniki bez obudowy - bardzo podobne do "piskadeł" piezo stosowanych w popularnych niegdyś naręcznych zegarkach elektronicznych "z melodyjką"; membranę z takiego zegarka też można spokojnie wykorzystać)

- 2 baterie węglowo-cynkowe/alkaliczne 1.5 V, np. AA (duże paluszki) lub AAA (małe paluszki) wzgl. inne; baterie łączymy w szereg, tzn. plus pierwszej do plusa układu, minus pierwszej do plusa drugiej, minus drugiej do minusa układu

- przełącznik (nieobowiązkowy, ale zalecany)

- stop lutowniczy z kalafonią, lutownica, szczypce, nożyk, przewód połączeniowy (np. montażowy czy telefoniczny), koszyczek na baterie (nieobowiązkowy)

- płytka uniwersalna lub coś podobnego (w ostateczności można montować także "w pajęczynkę" lub na listwie zaciskowej)

- przewód do podłączenia sensora (możliwie cieniutki, zwłaszcza jeśli obiekt zabezpieczany alarmem jest znacznie oddalony od naszego urządzenia, a najlepiej drut nawojowy w emalii o średnicy 0.1 - 0.2 mm, którego końce oczywiście "obskrobiemy" przed użyciem)

Zasada działania:

Układ rezonansowy (cewka + kondensatory) wraz z pierwszym tranzystorem (patrząc od lewej strony schematu) tworzą prosty generator drgań. Dotknięcie palcem punktu pomiędzy kondensatorami 33 pF i 100 pF (wzgl. anody lub katody diody) zmienia pojemność układu i wygasza/zmienia rezonans (nasze ciało to przecież też kondensator), co wyzwala "pipczący" alarm trwający tak długo, jak długo dotykamy sensora. Potencjometrem 2.2 kΩ można regulować czułość układu - szukamy zatem takiego punktu pracy jałowej (czyli bez dotykania sondy), kiedy membrana piezo właśnie dopiero co przestała piszczeć. Dotykanie palcami/śrubokrętem przyłącz potencjometru lub samego potencjometru, o ile ma on metalową obudowę, także może wyzwalać pisk i trzeba to wziąć pod uwagę w czasie kalibracji (ba, przy odpowiednio dobranym punkcie pracy układ będzie "darł ryja" nawet w pobliżu ciała ludzkiego, tzn. w odległości ok. 3 - 30 cm - co może zależeć również od długości i grubości przewodu - a więc bez potrzeby dotykania czegokolwiek). Jeżeli kabel łączący nie będzie przesadnie długi (do kilkudziesięciu centymetrów) i jeśli równocześnie trochę "pobawimy się" potencjometrem, to możemy nawet uzyskać układ uruchomiający się na stałe i emitujący sygnał dźwiękowy nawet po zaprzestaniu dotykania sensora (resetujemy wtedy poprzez krótkie wyłączenie napięcia zasilania lub inny sposób, który "wyczaimy" eksperymentalnie). Dioda oraz drugi tranzystor pełnią funkcję sprzęgająco-przełączającą, a ostatnie dwa tranzystory z prawej strony napędzają oscylator sterujący membraną piezo. Aby membrana ta działała prawidłowo, to pomiędzy jej przyłączami musi się znaleźć rezystor o odpowiedniej wartości, zależnej także od napięcia zasilającego (np. przy zwiększeniu do około 4 V membrana już nie zadziała, a przynajmniej tego nie usłyszymy). Układ został zaprojektowany do zasilania napięciem 3 V (w tym również z zasilacza stabilizowanego, z czym układy "przydźwiękowe" mają akurat spory problem).

Możliwości wykorzystania:

- alarm zabezpieczający nie za duże elementy metalowe (klamki, kłódki, metalowe rączki od szafek meblowych, mniejsze kraty itd.); im dłuższy (i grubszy) kabel łączący z sensorem oraz im większą kupą żelastwa jest nasz nadzorowany obiekt, tym trudniej ustawić zadowalający punkt pracy, dlatego sugeruję użyć możliwie cienkiego drutu miedzianego w emalii (np. z uszkodzonego transformatora czy cewki przekaźnika) o grubości 0.1 do 0.2 mm; cienki przewodzik to mniejsza pojemność własna i możliwość wyprowadzenia na dalszą odległość; można także zrezygnować z "regulaminowego" punktu wpięcia sensora (między kondensatorami 33 pF i 100 pF) i przenieść go np. na anodę lub katodę diody (zwłaszcza na katodzie uzyskamy bardzo oryginalny efekt dźwiękowy modulowany nieznacznie przydźwiękiem sieciowym, który w naszej cywilizacji jest dość wszechobecny, co może się niektórym nawet spodobać)

- "czary mary" do rozbawienia/zainspirowania dzieciaków (wyczuwaczka pod stołem/gazetą, a my machamy ręką nad nim, a coś tam właśnie pipczy)

- oryginalny dzwonek do drzwi (np. na drzwiach umieszczamy maskotkę misia z wmontowaną elektrodą-wyczuwajką oraz z napisem "Pogłaszcz misia po brzuszku")

- harfa pojemnościowa (jako dotykowy/bezdotykowy prosty instrument muzyczny, na którym gra się niewidzialnymi muśnięciami dłoni w pobliżu odpowiednio rozmieszczonych czujników)

- zabawka zręcznościowa (np. pierścień metalowy, który będziemy ostrożnie przesuwać po pętli z ułożonego "labiryntowo" gołego drutu - zadaniem jest nie dotknąć pierścieniem do metalu; układ wymaga odpowiedniego ustawienia potencjometru, żeby nie wzbudzał się bliskością naszych rąk)

- alarm bezdotykowy z czujnikiem pod dywanem, wycieraczką lub w futrynie drzwi czy ramie okna; elektrodę-wyczuwaczkę lub parę takich elektrod w postaci kawałka/kawałków folii czy tacki aluminiowej, o odpowiednio dobranej wielkości i optymalnym umiejscowieniu ma się rozumieć, umieszczamy w stosownym miejscu i mamy układ bezdotykowo wykrywający obecność człowieka lub nawet wjeżdżający na teren posesji czy do garażu samochód; możliwe także nawijanie niewielkich otwartych cewek-wyczuwaczek; nie twierdzę, że taką modyfikację zawsze łatwo osiągnąć, ale otwiera to przynajmniej pole do popisu dla naszych eksperymentów i pomysłowości (może trzeba będzie nieznacznie udoskonalić układ elektroniczny poprzez "pobawienie się" parametrami cewki czy kondensatorów, spomiędzy których "wyłazi" nasz sensor; może trzeba będzie użyć kabla łączącego o innej średnicy - nie chcę nikomu odbierać dobrej zabawy przy tworzeniu własnych wynalazków)

- alarm dotykowy dla "większych żelastw" typu rower czy motocykl (oczywiście z odpowiednimi modyfikacjami wartości R/L/C i/lub eksperymentowaniem z grubością przewodu przyłączeniowego, bo im większa kupa metalu, tym większa jej pojemność własna)

- wykrywacz kotka czy pieska wracającego do domu przez specjalną pieskową/kotkową śluzę (taka mini klapka instalowana w drzwiach, popularne zwłaszcza w krajach anglosaskich)

- prosty "szkolny" wykrywacz metalu (części metalowe także mają swoją pojemność elektryczną, że o zmianach indukcyjności nie wspomnę); mój układ bez problemu z około 3 cm wyczuwa suwmiarkę (cewka otwarta nawinięta zwykłym przewodem na dłoni i podłączana eksperymentalnie do różnych punktów układu, np. do dodatniego bieguna baterii); czułość i zasięg takiego wykrywacza można zwiększyć nawijając bardziej profesjonalną cewkę (podłączoną w układzie otwartym lub jeszcze lepiej zamkniętym) z odpowiednim ekranowaniem samej cewki/przewodu; zainteresowanych zachęcam do poszukania schematów i opisów budowy prostych wykrywaczy metalu, gdyż wiedza tam zawarta daje się całkiem skutecznie przenieść na nasze "piszczydełko" (i to bez potrzeby budowania specjalnie dedykowanego układu)

Uwagi końcowe:

Swój układ zmontowałem na szybko w pajęczynkę. Użyłem 3 tranzystorów NPN C9014 (zbliżone parametrami do BC547, ale z innym układem wyprowadzeń) oraz jednego BC309 (PNP). Reszta elementów dokładnie taka, jak na schemacie. Membranę piezo pozyskałem ze starego ściennego telefonu "Cyfral", który to nie przeżył uderzenia pioruna. Zasilam toto 2 starymi (trochę już rozładowanymi) małymi alkalicznymi paluszkami (łącznie coś koło 2.5 V). Układ jest w stanie działać także na jednym paluszku ze znacznie zmniejszoną siłą głosu. Przetestowałem także tryb zasilaczowy (napięcie stabilizowane 3 V). Cewkę nawinąłem na trzpieniu śrubokręcika "zegarmistrzowskiego" o średnicy 5 mm kabelkiem w koszulce igelitowej z żyłą miedzianą o średnicy 0.5 mm, który to wydłubałem z "wielonitkowego" przewodu telefonicznego, jaki to kiedyś podarował mi miły monter telekomunikacyjny (trzpień po nawinięciu cewki oczywiście usunąłem). Urządzonko bez problemu wykrywa dotyk na klamkach odległych nawet o 10 i więcej metrów (na takie odległości oczywiście podłączmy tylko cieniutkim drucikiem, który ma wprawdzie większą oporność, ale i znacznie mniejszą pojemność własną, a w tego rodzaju urządzeniach głównie o pojemność właśnie chodzi). Udało mi się także przetestować toto na rowerze odległym o 5 metrów (można wytropić człowieka zaledwie zbliżającego doń swe łapy), wykrywać łażenie ludzi po dywanie, pod którym umieściłem czujnik z tacki aluminiowej (lub z samego drutu) oraz zbudować prościutki wykrywacz metalu. Układ ten polecam zatem do całkiem poważnego wykorzystania oraz do zwykłej zabawy i poszerzania swoich umiejętności twórczych. Wymaga oczywiście trochę/sporo cierpliwości i żyłki eksperymentatora, ale może sprawić mnóstwo radości i wiele nauczyć.

Moja instalacja alarmowa wisi sobie na drzwiach pracowni. Układ wpakowałem do takiej malutkiej torebki na prezenty, którą umieściłem na haku garderobianym (i tak już był na drzwiach). Około 2.5 metra kabelka montażowego łączy urządzenie z klamką. Ponieważ to nieco za dużo kabla, więc pozwijałem go na wietnamskiej pałeczce do jedzenia w kunsztowne "loki" - teraz długość zmniejszyła się do ok. 50 cm, które to przymocowałem do drzwi taśmą klejącą (nawinięcie "loków" siłą rzeczy dodało kolejne "cewki" do układu, dzięki czemu zestrojenie okazało się łatwiejsze). Instalacja powiadamia mnie o dotknięciu klamki (lub o samym zamiarze dotknięcia, bo "ustrojstwo" piszczy już nawet w momencie przybliżania górnej kończyny).

Układ ten ma jeszcze jedną fenomenalną właściwość, bo nadaje swój pipczący sygnał na częstotliwości UKF, więc mogę go odbierać na terenie całego (sporego) domu przy pomocy zwykłych odbiorników radiowych (u mnie akurat w okolicach 106 - 108 MHz, co zależy od ustawienia potencjometru). Osoby mieszkające w blokach powinny to wziąć pod uwagę w związku z możliwością zakłócania odbioru UKF sąsiadom.

Kilka spostrzeżeń praktycznych:

1. Idealnym rozwiązaniem byłoby zastąpienie kondensatorów, spomiędzy których "wychodzi" czujnik, czyli 33 pF oraz 100 pF, trymerami lub kondensatorami zmiennymi (takie rozwiązania można zaobserwować w kilku książkach przedstawiających podobne układy).

2. "Stroić" można także długością/grubością kabla. Większość podstawowych testów robiłem na przewodzie o długości 4-5 metrów i średnicy 0.5 mm. Jeśli Twój układ będzie np. działał na odwrót (tzn. cichł w momencie dotknięcia klamki), to w przypadku niepowodzenia usunięcia tego kłopotu zmianą położenia suwaka potencjometru zawsze możesz jeszcze wydłużyć kabel.

4. Typ potencjometru nie jest krytyczny (od 220 omów do kilku kiloomów - w zależności od długości i grubości przewodu oraz "ilości żelastwa" na końcu kabla). Jeżeli nie masz akurat potencjometru, to możesz użyć rezystora stałego (zwykłego opornika) o wartości od 1 do 1.2 kilooma, a resztę "dośpiewać" sobie przewodem itd.

5. Użycie metalowego przedmiotu podłączonego "na samym układzie" (w miejscu spotkania się kondensatorów, gdzie "podpinamy" przewód sensora) może stanowić dobrą przeciwwagę pojemnościowo-indukcyjną, ułatwiającą zestrojenie układu (taką przeciwwagą może być także posłużenie się większym gabarytowo potencjometrem w metalowej obudowie, np. osiowym czym suwakowym, która to samą swoją "metalowością" wpływa na pojemność/indukcyjność swego całego "sąsiedztwa").

(Marcin Perliński)


niniejszy artykuł jako plik PDF

wersja niemiecka jako plik PDF