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Kühlschrankalarm

Beeper für offene Kühlschranktüren mit kleinem CD4093 Workshop

Kühlschrankalarm offenMein kleines Projekt passt incl. Stromversorgung in das kleine SP6029 (Strapu / Reichelt) Gehäuse, das ein Batteriefach enthält und ca 6x8 cm misst. Durch den Einsatz eines (4000er) Cmos 4093 beträgt der Ruhestrom  nur 2 µA (!) so das die Batterie eine kleine Ewigkeit hält. 

Diese kleine Schaltung entstand im heißen Sommer (2006) als ich bemerkte das meine Kühlschranktür ab und zu nicht mehr richtig schließen wollte. Da der Kühlschrank, außer diesem kleinen Mangel, noch bestens funktioniert kramte ich in meiner Bastelkiste nach einem passenden Summer. Natürlich durfte dieser nicht gleich loslärmen wenn man mal kurz die Tür öffnete, um etwas herauszuholen. Also musste eine kleine Schaltung her die dafür sorgte, das der Summer erst einmal für eine Weile Ruhe gibt. Ist die Zeit dann abgelaufen, muss der Piezo- Summer (ein billiger AC Typ) mit einer Rechteckspannung versorgt werden. Da ich eine Batterie benutzen und somit Strom sparen wollte, durfte es kein Dauerton sein, er sollte also Pausen haben.

So ungefähr sollte das Signal am Piezo in etwa aussehen:

Buzzer Signal

switchtriggerDa ich keine Lust hatte gleich 3 Timer ICs 555 zu verbauen, fiel meine Wahl auf den CD 4093.Mein erster Gedanke einen LDR (Lichtempfindlicher Widerstand) als Sensor zu benutzen wurde gleich zunichte gemacht als ich bemerkte das die Kühlschrankbeleuchtung trotz offener Kühlschranktür aus sein kann, wenn die Tür nur angelehnt ist und es gerade noch reicht den Kontakt zu schließen. Also baute ich einen Mikroschalter ein. Dieser muss natürlich exakt so eingebaut werden, das er bei geschlossener Kühlschranktür gerade noch schließt. An die Tür hab ich ein Stück Leiterplatte angebracht, die den Schalter schiesst. Diese ist (wenn man sich nicht gerade auf den Boden legt) nicht sichtbar .

Eine Schaltung zum ExperimentierenEagle Alarmschaltung

Die Schaltung lässt sich sehr schön auf einem Breadboard (Steckplatine) aufbauen, sind die Werte der RC-Kombinationen erst einmal ermittelt kann man die (etwas teureren) Trimmpotis durch Festwiderstände ersetzen. Es passt jedenfalls beides ins Layout .

Kühlschrank Alarmschaltung PCBLeiterplatte  und Stückliste

Da die Schaltschwellen des 4093 Herstellerabhängig sind, müssen bei Einsatz von Festwiderständen die Werte experimentell ermittelt werden.

R1 4M7 oder 5M-10M Trimmpoti (R3)
R2  15k  oder 25K-250K Trimpoti (R8)  
R4 1k
R5 1M oder...
R6 220k  ...   1M ... 10M Trimmpoti (R7)
C2,C3 100nF
C4 1µF
C5 10µF
D1,D2 1N4148
IC1 4093N
SG1 BM15B     Piezosummer z.B(Reichelt)

Die bisherigen Infos reichen dem geübten Bastler wohl zu genüge um das Gerätchen nachzubauen, jedoch soll das alles nur ein Beispiel sein was man mit dem alten CD4093 alles anstellen kann. Er kann nicht nur summen, sondern auch noch blinken, schalten, PWM und mehr. Für solche kleinen Anwendungen muss es nicht immer gleich ein MC sein.
Eine Leiterplatte kann man bei Bedarf mit einer speziellen Software wie z.B. Eagle selbst designen. Viele Leiterplattenhersteller produzieren die Platine dann, nach dem meinem Entwurf. Die Programme bieten eine große Auswahl an unterschiedlichen Bauteilen die im Layout frei plaziert werden können. Ist ein Bauteil in der Bibliothek nicht vorhanden, kann dieses auch selbst angefertigt und auf der Leiterplatte platziert werden. Dadurch lassen sich die Platinen so gestalten, dass ich sie für den jeweiligen Zweck einsetzen kann. Hierfür ist allerdings etwas Sachkenntnis erforderlich, damit die Elektronik später auch funktioniert. Mein Entwurf wird von den Herstellern eingelesen und anschließend umgesetzt.

Der CD4093

Innenschaltbild

Hier das Innenschaltbild des 4093 der 4 Identische NANDGatter enthält. NAND = Not AND also ein UND-Gatter mit Nachgeschaltetem Inverter. Die Spannungsversorgung von ca. 3-15 V wird wie bei Logik-ICs üblich an Pin14(+) und Pin7(GND) angeschlossen. Die Logikformel beschreibt was an den beiden Eingängen passieren muss damit der Ausgang aktiv wird. Z.B bedeutet formel   der Ausgang J nur aktiv wird (geht auf 0V) wenn die Eingänge  A UND B Logisch 1 sind. Wer sich (wie ich ) nicht lange mit Boolscher-Algebra herumschlagen will, schaut einfach auf die Logiktabelle.. 

Logiktabelle eines Nand mit 2 Eingängen (Beispiel 1. Gatter)

A_in B_in J_out
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0

1 = high oder Betriebsspannung
0 = low , 0V,Masse oder Gnd.

Gatter

Tipp:

Wen man in einer Schaltung von den NANDs übrig hat, können auch andere benötigte Logikfunktionen nachgebildet werden. Ein Inverter macht aus 0V am Eingang, logisch 1 am Ausgang. Ein UND Gatter ist nur dann auf 1, wenn beide Eingänge auf 1 sind.

Das Zeichen in der Mitte jeden Gatters deuten auf Schmitt-Trigger Eingänge hin. Das bedeutet, dass nicht wie üblich high und low bestimmte Pegel haben müssen (0 muss z.B. von 0-0,8V haben, 1 von 3,5-5V) , sondern das jede Spannung zwischen 0 und Betriebsspannung erlaubt ist.

Schmitt-Trigger haben 2 Schaltschwellen*, eine obere und eine untere, die Differenz beider Spannungen nennt man Hysterese.

*Triggerschwelle

Das hört sich komplizierter an als es ist.

Lege ich 0V an den Eingang und erhöhe diese Spannung langsam (z.B mit einem Poti) wechselt der Ausgang erst dann auf Low, wenn ich den oberen Schaltpunkt erreicht oder überschritten habe. Dreh ich nun mein Poti langsam wieder gegen 0V zurück schaltet der Ausgang nicht an derselben Stelle, sondern weiter unten, am unteren Schaltpunkt eben. 

Beispiel:

Einfacher TimerBeim anlegen der 9 Volt Betriebsspannung, wird sich der Kondensator C1 über den Widersand R1 aufladen. Die Zeit hängt natürlich von den Werten des RC- Gliedes ab. Je höher die Werte desto länger die Zeit bis der Ausgang Pin3 auf Masse gezogen wird. Werte mit denen man gut experimentieren kann liegen bei 100k-5M (R) und 1-10 µF (C). Damit der Ausgang des Gatter auch bei erreichen der oberen Schaltschwelle kippt ist Pin1 an +9V angeschlossen (siehe Logiktabelle). Auch das zusammenschalten beider Eingänge währe möglich. Wo der obere Schaltpunkt liegt hängt maßgeblich von der Betriebsspannung ab. Auch von welchem Hersteller das IC ist spielt eine große Rolle. In den Datenblättern Verschiedener Hersteller sind meistens die Schaltschwellen von 5,10 und 15 Volt angegeben sodass wir die dazwischenliegenden leicht abschätzen können. Wird der Jumper nun auf 1-2 gesteckt, entlädt sich der Elko wieder. Der Ausgang bleibt dabei so lange auf low, bis Pin2 die untere Schaltschwelle erreicht hat. Möchte man diese Schaltung auf einem Steckbrett ausprobieren kann man, als optische Kontrolle, eine LED mit Vorwiderstand (etwa 470 Ohm) direkt am Ausgang Pin3 (K) und +9V (A) Anschließen. Unbenutzte Eingänge sollten, um Schwingungen zu vermeiden, mit + oder GND verbunden werden. Und natürlich C1 nicht verpolen.

Beispiel mit LED auf einem Steckbrett.

Aufbau auf Breadboard

Passend zu diesem Beispiel wird in der Gesamtschaltung oben (die man übrigens nicht nur für Kühlschranktüren benutzen kann ) der Kondensator (C5) über einen (1k) Widerstand bei gedrücktem Mikroschalter (schnell) entladen und bei geöffnetem Schalter über R1 (oder R3) langsam aufgeladen. Leute die jetzt eine exakte Formel für die Zeitberechnung erwarten muss ich leider enttäuschen. Alle Formeln die ich in Büchern, Datenblättern und im www fand liegen zum Teil WEIT von meinen Messungen entfernt. Außer den schon erwähnten Unterschieden bei den Herstellern und der höhe der Betriebsspannung kommen noch Bauteiletoleranzen (bei Kondensatoren bis 20%!) und Leckströhme bei den Elkos hinzu. Behelfen kann man sich mit der Formel: T=R*C*Faktor  wobei T die Zeit (in Sekunden) ist R (in Ohm) der Widerstand und C (in Farad). Glücklich ist hier derjenige der einen Taschenrechner hat bei dem man 10er Potenzen eingeben kann (z.B.4,7µF = 4,7*10E-6 ). Den Faktor muss man selbst ermitteln. Am besten baut man sich eine Testschaltung mit 1µF und 10M auf und Stoppt die Zeit mit einer Stoppuhr. Nun kann man mit Faktor=T/R*C (R*C sind in diesem Fall 10) den Faktor berechnen. Typische Werte für den Faktor waren bei mir je nach Betriebsspannung und Hersteller des CD4093 0,6 - 1,2

AMVEin AMV mit nur einem Gatter.

Dieser kleine Rechteckgenerator wird mehrfach (in ähnlicher Form) bei der Alarmschaltung oben benutzt um z.B. den Summer ertönen zu lassen. Mit Pin1 kann man den Oszillator ein und ausschalten. Im Beispiel links ist Pin1 mit +9V verbunden, somit würde der AMV laufen, verbindet man Pin1 mit GND, stoppt er.

Und so funktionierts.

Am Anfang ist C1 noch ungeladen, Pin2 liegt auf 0 Volt.  Ein Blick in die Logiktabelle sagt mir das Pin3 auf 1 ist, also lädt sich C1 über R1 auf (genau wie im 1. Beispiel). Ist die Spannung an C1 am oberen Schaltpunkt des 4093 angekommen liegen 2 Einsen an den Eingängen und der Ausgang (Pin3) geht auf low. Da C1 jetzt unbedingt seine Ladung loswerden will, fließt solange Strom durch R1 in den Ausgang des 4093 bis die Spannung an der unteren Schaltschwelle angekommen ist und das Spiel von neuem beginnt. Will man mit diesem AMV eine LED zum blinken bringen, ist man mit R1=1M C1=1µF im sichtbaren Bereich, kleinere Werte würde die LED flackern lassen oder sie würde (für das menschliche Auge) konstant Leuchten (PWM lässt grüssen).

 Auch hier noch ein Beispiel auf dem Steckbrett.

Steckbrett 2  

pwm

Während im obigen Beispiel C1 immer über denselben Widerstand geladen und entladen wurde wird hier wird C1 über R1 geladen und über R2 entladen. D.h. wir können mit dieser Schaltung das Tastverhältnis (Verhältnis von Ein- und Auschaltzeit) einstellen. Baut man anstelle R1,R2 ein Poti ein (Schleifer an C1,Pin2 / siehe Alarmschaltung oben), können wir das Tastverhältnis Stufenlos einstellen. Mit einem Nachgeschaltetem Transistor könnte man so per PWM z.B. einen Lüfter steuern. Mit den bisherigen Infos sind wir nun soweit die Komplettschaltung zu Analysieren.

Hier die ersten 2 Gatter der Alarmschaltung:

Wegen der besseren Übersicht wurde hier R5 und R6 weggelassen und nur das Poti eingezeichnet. Auch R4 kann man sich wegdenken, den hab ich nur eingebaut um die Kontakte des Mikroschalters zu schonen, da ja sonst C5 bei jedem Schließen der Tür kurzgeschlossen würde. Hier werden gleich 2 Eingange mit RC-Gliedern beschaltet (das hatten wir noch nicht ). Bei geschlossener Tür ist S1 gedrückt, das hat zur folge das Pin2 auf low ist. Der AMV kann in diesem Zustand nicht laufen (siehe Logiktabelle).

4093 teil1

Wird nun die Tür geöffnet, kann sich C5 langsam (ca.40 sek.) über den 5MTrimmer aufladen. Hat nun C5 soviel Ladung, das die Spannung ausreicht um IC1A zu Triggern startet der AMV. Dieser ist zuständig um den Buzzer ca. jede Sekunde ein und auszuschalten. Da C4 beim ersten Beep noch total leer ist, dauert der erste Ton etwas länger und wird dann bei jedem Beep kürzer bis sich die Frequenz (1Hz) stabilisiert hat (so eine Art Fade-In Effekt). IC1B ist als Inverter geschaltet und stoppt bei geschlossenem S1 den AMV um IC1C.

4093 teil2

Und hier kommt unser Rechteck an Pin8 und schaltet den Oszillator im Sekundentakt ein und aus. Ich selbst habe hier einen 25k Trimmer eingebaut mit dem ich ca. 5 KHz eingestellt habe. Mit dieser Frequenz ist der BM15B am lautesten. Auch wegen der höheren Lautstärke ist der Buzzer zwischen den Inverter IC1D geschaltet (und nicht gegen + oder Masse). So liegen am Buzzer nich 9V sondern 18Vss (Spitze-Spitze).

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