2.7.2. Сенсорные ключи-выключатели
В запирающих устройствах на сенсорных ключах-выключателях используются металлические контакты-сенсоры. Прикосновениe руки к ним вызывает срабатывание запирающего устройства и открывание тайника. В качестве сенсорных контактов используются любые металлические предметы, например гвозди, шурупы, пуговицы и т. п., что обеспечивает хорошую маскировку сенсорных контактов (попробуйте догадаться, шляпка какого гвоздя из нескольких десятков вбитых в стену позволит вам открыть тайник).
Простейший сенсорный ключ на тиратроне
Чувствительным элементом ключа, реагирующим на прикосновение руки к сенсору Е1, является тиратрон с холодным катодом типа МТХ-90. Питается тиратрон HL1 (рис. 2.56) постоянным током от выпрямителя, собранного на диоде VD2.
Рис. 2.56. 
Прикосновение к сенсору E1 влечет зa собой появление потенциала на сетке тиратрона HL1 относительно его катода. Тиратрон зажигается и в его анодной цепи появляется ток, приводящий к срабатыванию реле К1, которое своими контактами (на рис. 2.56 не показаны) включает запирающее устройство.
Чтобы прикосновение руки к сенсору было безопасным, между сенсором и управляющей сеткой тиратрона HL1 включен ограничительный резистор R1 (его сопротивление может быть в интервале 1 —10 МОм).
Элементы VD1, C1 и R3 образуют параметрический стабилизатор напряжения, что позволяет исключить ложные срабатывания сенсорного устройства и самопроизвольное зажигание тиратрона HL1 при колебаниях сетевого напряжения в интервале 180…250 В. В устройстве использовано электромагнитное реле K1 типа РЭС6 (паспорт РФО 452.103).
Налаживание устройства сводится к установке переменным резистором R5 напряжения 170 В на конденсаторе C1 при напряжении в сети 180 В.
Подключать налаженное устройство следует в строгом соответствии со схемой после определения нулевого и фазового проводов.
Сенсорный ключ-выключатель на транзисторах
Этот ключ в исходном состоянии потребляет от сети ток около 0.3 мА. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.57.
Рис. 2.57. 
Для перевода устройства в активный режим необходимо коснуться металлического сенсора Е1, расположенною на стене. При этом отрицательные полупериоды тока утечки, протекая по цепи базы транзисторов VT1, VT2 и резистор R1, открывают транзисторы, и якорь реле притягивается. Контакты К1.1 реле (на рис. 2.57 не показаны) включают исполнительное устройство. Ток, протекающий через диод VD5, подзаряжает конденсатор С1, не давая ему разрядиться через обмотку реле и открытые транзисторы.
Диод VD1 пропускает положительный полупериод сетевого напряжения к входной цепи, предохраняя от пробоя обратным напряжением эмиттерные переходы транзисторов VT1, VT2, а диод VD5 исключает разряд конденсатора С1 через резистор R4 при положительных полупериодах сетевого напряжения. Диод VD2 гасит отрицательные импульсы напряжения на коллекторах транзисторов, образующихся в результате ЭДС самоиндукции обмотки реле в момент закрывания транзисторов. Резистором R2 регулируется чувствительность устройства.
В устройстве используют кремниевые транзисторы с коэффициентом передачи тока не менее 50 из серий КТ315, КТ312 (VT1) и КТ608, КТ603 (VT2).
Транзистор VT2 также может быть из серии КТ315, но надежность устройства при этом уменьшится. Диоды VD1 и VD5 обязательно должны быть кремниевые. Германиевые диоды, по сравнению с кремниевыми, имеют значительно больший обратный ток, и устройство при этом работает неустойчиво. Диод VD5 должен быть рассчитан на максимальное обратное напряжение не менее 400 В, прямой ток 300–400 мА. Стабилитроны VD3 и VD4 из серии Д814 на суммарное напряжение стабилизации около 20 В. Конденсатор С1 (например, типа К52-2, К52-1, К53-1) должен иметь небольшой ток утечки. Реле К1 слаботочное с рабочим напряжением 24 В, например РЭС-32, паспорт РФ4.500.341.
Налаживание автомата сводится к подбору сопротивления резистора R2, при котором реле четко срабатывает во время касания контакта Е1.
Для повышения безопасности при эксплуатации устройства резистор R1 должен быть рассчитан на мощность более 0,5 Вт. Для повышения помехоустойчивости ключа-выключателя длина провода, соединяющего сенсор Е1 и резистор R1, не должна превышать 1,5 м, диаметр 0,2 мм.
Налаживание устройства при правильном монтаже сводится к подбору сопротивления резистора R1, которое должно быть не менее 2,2 МОм. В этом случае ток утечки при касании контакта Е1 не будет превышать 0,1 мА. Прохождение такого тока через организм человек не ощущает. Подключение фазного провода к сигнализатору должно соответствовать схеме. При налаживании устройства необходимо соблюдать меры предосторожности, так как его элементы находятся под сетевым напряжением.
Сенсорный ключ на два положения
Ключ-выключатель действует аналогично механическому переключателю с двумя кнопками с зависимой фиксацией. При нажатии на одну кнопку вторая возвращается в исходное положение. Также и здесь, имеются две сенсорные пластины, при прикосновении к одной устройство включается и остается в таком состоянии до прикосновения ко второй. Таким образом, открывание и закрывание тайника осуществляется разными сенсорными контактами.
Схема ключа показана на рис. 2.58.
Рис. 2.55. 
При касании металлических пластин Е1 и Е2 наведенная в теле человека переменная ЭДС внешним электромагнитным полем, которое всегда имеет место, поступает на один из диодов, которые выполняют роль детекторов этой ЭДС. На выходе диода VD1 образуется отрицательное напряжение, а на выходе диода VD2 — положительное. В результате на инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) поступают либо отрицательные, либо положительные полуволны переменного напряжения (фона). В первом случае на выходе ОУ устанавливается положительный потенциал по отношению к общему проводу и транзистор VT1 откроется, включив питание электромагнитного реле К1, которое своими контактами включает управляемую цепь. Резистор R5 в цепи положительной обратной связи вводит ОУ в режим насыщения, и положительное напряжение на его выходе сохраняется до тех пор пока его не выведут из этого режима. При прикосновении к другой пластине на инвертирующий вход поступают положительные полуволны и потенциал на выходе ОУ становится близким к нулю. В результате транзистор VT1 закрывается и контакты реле размыкаются. Резистор R5 играет ту же роль, что и в предыдущем случае
Выключатель смонтирован на одной печатной плате. При установке нужно учитывать, что длины проводов, соединяющих сенсоры с платой, должны быть минимальной длины. Сенсоры нельзя устанавливать на поверхности, которая подвержена атмосферным воздействиям. Ключ может срабатывать от дождя и снега, а изменение температурного режима оказывает влияние на режим работы ОУ.
Источник питания может быть любым. Контактные пластины должны иметь площадь не менее 1 см2. Плату устройства нужно экранировать. В схеме использовано реле К1 типа РЭС55А, паспорт PC.569.601, но можно использовать и другое, близкое по своим параметрам указанному.
Ключ на емкостном реле
Схема емкостного ключа-выключателя приведена на рис. 2.59.
Рис. 2.59. 
В основу работы устройства положен принцип емкостного реле с сенсорным управлением, что обеспечивает полную гальваническую развязку между выключателем и пользующимся им человеком, а также хорошую помехоустойчивость.
Триггеры Шмитта DD1.1—DD1.3 микросхемы К561ТЛ1 и D-триггер DD2.1 микросхемы К561ТМ2, работающий в счетном режиме, образуют цифровую часть устройства, а четвертый триггер Шмитта DD1.4 микросхемы DD1, p-n-p транзистор VT1 и тиристор VS1 — узел управления электромагнитом YA1, включаемым (через разъем X1) в диагональ выпрямительного моста VD5 — VD8. С выхода выпрямителя пульсирующее сетевое напряжение выпрямителя подается непосредственно на тиристор VS1, через делитель R6R5 — на входной вывод 5 триггера DD1.4 и через диод VD4 на стабилизатор напряжения R8VD2, являющийся источником питания микросхем и транзистора. Оксидный конденсатор C5 сглаживает пульсации стабилизированного напряжения.
Сразу же после подключения устройства к сети триггер DD1.1, работающий в активном режиме, начинает генерировать прямоугольные импульсы частотой около 10 кГц, которые через подстроенный резистор R2 поступают к сенсору Е1 (через конденсатор С1) и на вход (вывод 12) триггера DD1.2 (через конденсатор С2). Амплитуду импульсного напряжения на этом выводе устанавливают резистором R2 такой, чтобы триггер срабатывал на каждый импульс генератора и на его выходе была такая же, как и на входе, импульсная последовательность.
С такой же частотой конденсатор С4 будет заряжаться через диод VD1 и разряжаться через резистор R4. А так как постоянная времени цепи разряда во много раз больше постоянной времени разряда, то конденсатор С4 оказывается заряженным до напряжения высокого уровня. В это время на выходе триггера DD1.3 будет напряжение низкого уровня, на прямом выходе триггера DD2.1 — напряжение низкого уровня, а на выходе триггера DD1.4 и базе транзистора VT1 — высокого уровня. Транзистор VT1, а значит, и тиристор VS1 закрыты и электромагнит YA1 выключен — автомат находится в режиме ожидания.
При приближении к сенсору или касании его рукой общая емкость в точке соединения конденсаторов С1 и С2 увеличивается, из-за чего амплитуда импульсного напряжения на входе устройства уменьшается и оказывается недостаточной для срабатывания триггера DD1.2, и на его выходе появляется сигнал низкого уровня. Конденсатор С4 разряжается через резистор R4, срабатывает триггер DD1.3 и положительный перепад напряжения на его выходе переключает D-триггер DD2.1 в единичное состояние. Теперь на выходе триггера DD1.4 будет напряжение низкого уровня, которое открывает транзистор VT1. В результате в цепи управляющего электрода тиристора VS1 возникает ток, тиристор открывается и, замыкая малым сопротивлением диагональ выпрямительного моста, включает электромагнит YA1.
А теперь — коротко об экономичности управления тиристором. При переходе сетевого напряжения через нуль, тиристор закрывается. Открывается же тиристор, когда значение пульсирующего напряжения на нем становится равным примерно 20 В, а напряжение на входе (вывод 5) триггера DD1.4 достигает высокого уровня. Тогда на выходе триггера DD1.4 появляется сигнал низкого уровня, транзистор открывается и в цепи управляющего электрода тиристора возникает импульс тока. Как только тиристор откроется, напряжение на нем скачком уменьшится до 1,5–2 В, а на выводе 5 триггера DD1.4 — до низкого уровня. В результате на выводе 4 триггера DD1.4 появляется сигнал высокого уровня и транзистор закрывается. Таким образом, транзистор открывается лишь на время, равное времени срабатывания тиристора, то есть всего на несколько микросекунд. Соответственно тиристор за полупериод сетевого напряжения управляется одним очень коротким импульсом тока, что и повышает экономичность описываемого устройства.
Все детали устройства, кроме сенсорного контакта, монтируют на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Транзистор VT1 может быть любым из серий КТ361, КТ209, КТ502, КТ3107. Тиристор VS1 — КУ202М-КУ202Н, КУ201М, КУ201Н. Диод VD1 — любой детекторный или импульсный диод, VD3 и VD4 — любые выпрямительные диоды. Диоды VD5-VD8 можно заменить на выпрямительный мост типа КЦ401Б, КЦ402А— КЦ402В, КП405А- КЦ402Б. Стабилитрон VD2 должен быть с напряжением стабилизации 10…14 В, типа Д814В-Д814Д, КС210Ж-КС213Ж, КС210Б, КС210Е, КС510А. Конденсатор С5 — оксидный К50-24, другие — КТ, КД (С1 — СЗ) и КЛС, KM (С4). Резистор R2 — типа СПЗ-3, остальные — ВС, МЛТ. В целях безопасности конденсатор C1 должен быть рассчитан на номинальное рабочее напряжение не менее 250 В.
Сенсорный элемент — это металлическая фольга площадью 40…50 см2, помещенная между двумя пластинками тонкого текстолита, органического стекла.
Можно также использовать пластину из одностороннего фольгированного материала и наклеить на ее фольгированную сторону пластину из диэлектрика.
Фольга такого сенсора должна быть удалена по всему периметру. С платой сенсор соединяется проводом в надежной изоляции минимальной длины. Сенсор заклеивается обоями.
Налаживание устройства сводится к установке его чувствительности резистором R2. Здесь приходится выбирать компромисс между максимальной чувствительностью при приближении руки к сенсору и помехоустойчивостью выключателя. Помехоустойчивость можно улучшить путем увеличения емкости конденсатора С4.
Кодовый замок с сенсорным управлением
В радиолюбительской литературе описано немало электронных кодовых замков, управляемых кнопками или микропереключателями. Но множество кнопок на виду у всех неизбежно привлечет внимание.
Чтобы избежать подобных неприятностей, нетрудно соорудить замок достаточно высокой секретности с сенсорным управлением. Функцию сенсорных полей будут выполнять шляпки декоративных гвоздей. Принцип действия сенсорного управления основан на использовании электрических наводок переменного тока осветительной сети на теле человека. Устанавливать такой замок можно только в помещении, где имеется электропроводка.
Логическую часть замка (рис. 2.60) образуют инверторы микросхемы К176ПУ2 (DD1), десятичный счетчик с дешифратором К176ИЕ8 (DD2), элементы 2И-НЕ микросхемы К176ЛА7 (DD3) и четыре D-триггера двух микросхем К176ТМ2 (DD4, DD5). Сенсоры 1.1 и Е2 основные, а ЕЗ вспомогательный.
Чтобы исполнительное устройство сработало (на схеме оно не показано) и можно было открыть тайник, надо, прежде всего, коснуться пальцем вспомогательного сенсора ЕЗ. При этом счетчик и все триггеры устанавливаются в исходное нулевое состояние: на выходе 0 (вывод 3) микросхемы DD2 возникает напряжение высокого уровня (на всех других выходах — лог. «0»), на прямых выходах триггеров DD4.1, DD4.2 и DD5.2 — низкого, а на инверсном выходе триггера DD5.2 — высокого уровня. Затем надо дважды коснуться пальцем сенсора Е1. При каждом касании его на выходе элемента DD1.2 формируется пачка прямоугольных импульсов частотой 50 Гц и амплитудой, близкой к напряжению источника питания микросхем устройства. Преобразованные цепью VD1C1R2 до напряжения высокого уровня, они через формирователь крутизны фронта, собранный на элементах DD1.3, DD1.4, поступают на вход CN счетчика DD2. При первом касании сенсора Е1 сигнал высокого уровня появляется на выходе 1 (вывод 2) микросхемы DD2, при втором — на ее выходе 2 (вывод 4).
Pиc. 2.60. 
Далее, согласно установленному коду замка, надо коснуться сенсора Е2, чтобы на верхние (по схеме) входы элементов DD3.1, DD3.2, DD3.3 и на вход С триггера DD4.1 подать сигнал высокого уровня. В результате элемент DD3.1 оказывается в единичном состоянии, и в такое же состояние он переключает триггер DD4.2, а элементы DD3.2 и DD3.3 оказываются в нулевом состоянии.
Триггер же DD4.1 продолжает сохранять единичное состояние, так как в это время на его входе D присутствует напряжение низкого уровня.
Теперь надо три раза подряд коснуться сенсора Е1, чтобы напряжение высокого уровня микросхемы DD2 было на се выходе 5 (вывод 1) и, следовательно, на входе элемента DD3.2 (вывод 6). Если затем снова коснуться сенсора Е2, то выходной сигнал элемента DD3.2 переключит триггер DD5.1 в единичное состояние и таким образом подготовит к переключению триггер DD5.2.
Остается два раза коснуться сенсора E1, чтобы установить микросхему DD2 в состояние, при котором сигнал высокого уровня был бы на ее выходе 7 (вывод 6), и еще раз — сенсора Е2. Триггер DD5.2 переключится в единичное состояние и сигналом низкого уровня на инверсном выходе запустит одновибратор, собранный на элементах DD3.4 и DD2.5. Сформированный одновибратором импульс отрицательной полярности длительностью около 2 с элемент DD1.6 проинвертирует и сигналом высокого уровня включит исполнительное устройство. Одновременно этот сигнал поступит через диод VD10 на входы R микросхем DD2, DD4, DD5 и установит их в исходное нулевое состояние.
Резисторы R1, R3 и R4 ограничивают чувствительность устройства и тем самым предотвращают возможный пробой входов микросхем статическим электричеством. Описанная последовательность касания сенсоров обусловлена кодом замка, который определяется порядком подключения к выходам счетчика-дешифратора диодов VD2 —VD8 и нижних (по схеме) входов элементов DD3.2 и DD3.3. При неправильном наборе кода исполнительное устройство не сработает. В случае ошибки набор правильного кода начинается касанием вспомогательного сенсора ЕЗ.
Технология превращения шляпок декоративных гвоздей в сенсорные поля может быть, например, такой. Подберите три декоративных гвоздя, шляпки которых не будут выделяться на фоне окружающей обстановки. В удобном для вас месте недалеко от тайника, лучше всего это делать на его крышке, сверлом чуть меньшего диаметра, чем шейки гвоздей, просверлите отверстия.
Затем с внутренней стороны крышки в отверстия пропустите отрезки провода марки ПЭВ или ПЭЛ, концы которых предварительно должны быть очищены и залужены на длину 15.. 20 мм. Выступающие снаружи концы провода сверните наподобие петли и туго посадите в них декоративные гвозди. С внутренней стороны сенсорные проводники подведите к плате устройства самым коротким путем и, чтобы их нечаянно не оторвать, приклейте к крышке полоской изоляционной лептой, скотчем или лейкопластырем.
В качестве исполнительного устройства можно использовать электромагнит, конструкция которого была рассмотрена в разделе 2.7.1.
Для повышения надежности работы устройства между сенсорами и цепями управления (точками соединений резисторов R1, R3, R4 и входов соответствующих микросхем) следует включить защитные резисторы сопротивлением 100 кОм.
