Elektryczny zamek cyfrowy z przekaźnikami monostabilnymi

[Christophorus]

      Przedstawiony projekt zamka stanowi ciekawostkę w dobie powszechnie stosowanych mikrokontrolerów i układów scalonych. Pokazuje on, że niektóre pozornie skomplikowane urządzenia elektroniczne można zbudować w posty sposób z użyciem takich podzespołów jak przekaźniki. Projekt ten nie jest wart naśladowania i przedstawia on tylko wartość edukacyjną. Powstał on jako rozwiązanie jednego z zadań w „Szkole Konstruktorów” dawnego wydania „Elektroniki dla Wszystkich”.

Teoria

      Zasadę działania przekaźnika zna każdy elektronik. Cewka przekaźnika po podaniu na nią napięcia przyciąga kotwiczkę z ruchomymi stykami przekaźnika. Styki te załączają obwód zasilający urządzenie, często o dużej mocy. Przekaźnik może też przełączać różnego rodzaju sygnały. Dostępne są przekaźniki, różniące się parametrami elektrycznymi i różnymi kombinacjami styków. Najczęściej przekaźnik zamyka obwód w czasie gdy zasilana jest jego cewka. Po zaniku napięcia cewka przestaje przyciągać kotwiczę ze stykami i obwód zostaje rozwarty. Istnieje pewne rozwiązanie, zwane pracą przekaźnika z tak zwanym stykiem podtrzymania. Umożliwia to ciągłe załączenie przekaźnika krótkim zwarciem przełącznika chwilowego. Ideę tego rozwiązania widzimy na rysunku poniżej.

      Cewka przekaźnika dołączona jest do napięcia zasilającego przez rozwarty styk przekaźnika. Chwilowy przełącznik S1 jest dołączony równolegle do rozwartego styku przekaźnika. Krótkie załączenie przekaźnika przełącznikiem S1 spowoduje zamknięcie rozwartego styku przekaźnika i od tej pory płynący przezeń prąd zasila cewkę przekaźnika pomimo iż przełącznik S1 zostanie rozwarty. Następuje samo podtrzymanie przekaźnika. Jego wyłączenie jest możliwe przez odłączenie napięcia zasilającego, za pośrednictwem drugiego przełącznika S2 rozwierającego obwód cewki przekaźnika. Rozwiązanie to wykorzystamy do budowy naszego zamka cyfrowego bez elementów elektronicznych.

Zamek z przekaźnikami monostabilnymi

      Schemat zamka z przekaźnikami monostabilnymi pokazany jest na schemacie poniżej.

      Po naciśnięciu przełącznika klawiatury odpowiadającego pierwszej cyfrze kodu załączany jest pierwszy przekaźnik PK1. Jego rozwarty do tej pory styk zamyka obwód zasilania cewki i następuje jego samo podtrzymanie pomimo zwolnienia klawisza klawiatury. Do drugiego styku przekaźnika PK1 dołączony jest przełącznik odpowiadający drugiej cyfrze kodu. Prawidłowe wybranie pierwszej cyfry przełączy przycisk odpowiadający drugiej cyfrze kodu do cewki drugiego przekaźnika PK2 i dopiero wówczas możliwe jest załączenie przekaźnika PK2. Jeśli omyłkowo naciśniemy ten przełącznik wcześniej to przełącznik drugiej cyfry kodu przez będący w spoczynku styk przekaźnika PK1 załączy przekaźnik PK5 włączający alarm. Ma to na celu włączenie alarmu, jeśli wybierzemy prawidłową cyfrę kodu w nieodpowiedniej kolejności. Przekaźnik PK5 oprócz włączenia alarmu trwale odłączy (do czasu wyłączenia alarmu) zasilanie od cewek przekaźników PK1-PK4 uniemożliwiając otwarcia zamka na wskutek dalszego wprowadzania cyfr. W ten sposób połączone są ze sobą kolejno przekaźniki PK1 – PK5. Załączenie kolejnego przekaźnika jest możliwe tylko wtedy, gdy wcześniejszy przekaźnik zostanie załączony. Przełączniki klawiatury, które nie są wykorzystanie do wprowadzenia kodu dołączone są do przekaźnika PK5 i ich naciśnięcie powoduje natychmiastowe włączenie alarmu przez przekaźnik PK5. Także przełączniki klawiatury odpowiadające drugiej, trzeciej i czwartej cyfrze kodu dołączone są do przekaźnika PK5 do momentu prawidłowego podania poprzedzającej je cyfry kodu. Ma to na celu utrudnienie otwarcia zamka metodą prób i błędów. Podanie ostatniej prawidłowej cyfry załączy przekaźnik PK4, którego drugi styk można wykorzystać do załączenia rygla elektromagnetycznego w drzwiach. Wyłączenie rygla możliwe jest rozwiernym przełącznikiem „RYGIEL STOP” - SW10. W praktyce najlepiej zastosować wyłącznik krańcowy zamontowany w futrynie drzwi. Wówczas otworzenie drzwi rozewrze przełącznik SW10 i zasilanie przekaźników PK1 – PK4 zostanie odłączone. Tym samym wyłączone zostanie również zasilanie rygla elektromagnetycznego. Wyłączenie alarmu jest możliwe za pomocą również rozwiernego przełącznika „ALARM STOP” - SW11, który nie powinien być łatwo dostępny. Może być to na przykład ukryte gniazdo słuchawkowe Jack, które po włożeniu wtyku rozewrze obwód zasilania cewki przekaźnika PK5. Jak widać konstrukcja tego zamka jest bardzo prosta. Zamek ten zawiera pewne wady. Gdy ustawimy kod zamka na przykład jako 7229 to jednokrotne naciśnięcie przełącznika SW2 od razu załączy przekaźniki PK2 i PK3. Również dwukrotne wykorzystanie tej samej cyfry w kodzie nie jest możliwe, na przykład 2729 ponieważ naciśnięcie przełącznika SW2 załączy co prawda przekaźnik PK1, ale równocześnie przekaźnik PK3 sygnał z przełącznika SW2 potraktuje jako błąd i poprzez drugi swój styk spowoduje załączenie alarmu. To ograniczenie można ominąć rezygnując z obwodów przekierowujących następne cyfry kodu do alarmu, zanim zostanie wybrana prawidłowa cyfra kodu. Praktycznie mamy więc do dyspozycji nieco mniej kombinacji cyfr. To można z kolei ominąć stosując pięć lub sześć cyfr kodu, co wymaga dodania kolejnych przekaźników. Kolejną wadą zamka jest to, iż pomimo wybrania poprawnego kodu i otwarcia rygla wciśniemy kolejny błędny klawisz na klawiaturze to włączy się alarm. Tą wadę można by wyeliminować, gdyby przekaźnik PK4 miał więcej par styków. Wówczas kolejną parę styków można by wykorzystać do odcięcia klawiszy klawiatury dołączonej do złącza ALARM, tak jak to zostało zrobione w przypadku zamka z wykorzystaniem przekaźników bistabilnych. Mimo tych ograniczeń otrzymujemy zamek cyfrowy bez wykorzystania jakichkolwiek elementów półprzewodnikowych.

Montaż i uruchomienie

Zamek został zmontowany na dwóch płytkach drukowanych o wymiarach 80 x 55 mm widocznych na rysunkach poniżej.

      

   

      Mimo prostoty zamka nie obeszło się bez płytki dwuwarstwowej lub ze zworkami. Później pojawiła się koncepcja umieszczenia na płytce klawiatury dwóch diod LED czerwonej i zielonej sygnalizującej włączenie rygla lub alarmu. Projekt zamka i płytek drukowanych powstał w programie KiCad Na jednej z nich znajdują się przekaźniki i złącza. Na drugiej z nich wykonana jest klawiatura zamka. Płytki montujemy tradycyjnie od elementów najmniejszych czyli zworek. Ważne jest to szczególnie w przypadku płytki z przekaźnikami, gdyż niektóre zworki znajdują się pod nimi. Zamek nie wymaga uruchamiania poza zaprogramowaniem kodu poprzez podłączenie przewodów klawiatury do odpowiednich złącz śrubowych. Niewykorzystane w kodzie przełączniki klawiatury dołącza się do złącza oznaczonego jako „ALARM”. Najlepiej zastosować przekaźniki z cewką na 12V. Dzięki temu jednym napięciem możemy zasilać zamek, rygiel a także alarm. Styki przekaźników nie muszą mieć dużej obciążalności, ale minimum to 2A. W dokumentacji jednego z rygli znalazłem informację, że prąd jego cewki w chwili załączenia zbliżony jest to 1A. Warto więc mieć pewien zapas obciążalności styków. Jeśli nie planujemy częstych zmian kodu to można zrezygnować ze złącz śrubowych łączących klawiaturę i płytkę zamka, łącząc odpowiednie zaciski poprzez przylutowanie przewodów.

Zamek z przekaźnikami bistabilnymi

      Schemat zamka z przekaźnikami bistabilnymi pokazany jest na schemacie poniżej.

      Wykorzystałem pięć przekaźników bistabilnych z dwoma cewkami typu AZ850P2-12. Dodatkowo zostały wykorzystane dwa zwykłe przekaźniki o większej obciążalności styków, gdyż obciążalność styków przekaźników AZ850P2-12 wynosząca 1A może okazać się zbyt mała w niektórych zastosowaniach. W razie potrzeby można zrezygnować z przekaźników P6 i P7 łącząc przewodem złącza RYGIEL i ALARM z odpowiednimi polami lutowniczymi na płytce zamka. Przekaźniki AZ850P2-12 posiadają dwie cewki oznaczone jako SET i RESET podobnie jak w przerzutnikach znanych z układów cyfrowych. Podanie krótkiego impulsu na jedną z cewek powoduje przełączenie jego styków. Do zachowania wybranego stanu tych przekaźników nie jest potrzebne ciągłe zasilanie jego cewek. W związku z tym nie jest potrzebna konfiguracja przekaźników ze stykiem podtrzymania jak w opisanym wyżej zamku z przekaźnikami monostabilnymi. Impulsy sterujące z klawiatury podawane są na cewki SET przekaźników. Tak jak poprzednio cewki przekaźników P2-P4 poprzez styki poprzedzających je przekaźników dołączone są do przekaźnika P5. Skutkuje to tym, że wybranie prawidłowej cyfry w nieodpowiedniej kolejności włączy alarm. Drugi zestaw styków przekaźników P1-P4 połączony jest szeregowo. Gdy wszystkie styki zostaną zwarte załączony zostaje przekaźnik P6 o większej obciążalności styków włączający rygiel. Druga cewka RESET przekaźników P1-P4 dołączona do zwiernego przełącznika SW10 powoduje wyłączenie (zresetowanie) tych przekaźników i wyłączenie rygla. Rolę przełącznika SW10 tak jak poprzednio może pełnić wyłącznik krańcowy umieszczony na futrynie drzwi. Otwarcie ich poda napięcie na cewki reset przekaźników P1-P4 co wyłączy rygiel. Niewykorzystane w kodzie przyciski klawiatury dołączone są za pośrednictwem zwartych styków przekaźnika P4 do cewki SET przekaźnika P5. Ma to na celu włączenie alarmu przy nieprawidłowej kolejności wprowadzania cyfr kodu. Po wybraniu poprawnego kodu i przełączeniu przekaźnika P4 oprócz włączenia rygla odłączy on przyciski klawiatury dołączone do złącza ALARM. W wyniku tego po wybraniu prawidłowego kodu naciśnięcie przycisku dołączonego do złącza ALARM nie włączy alarmu. Natomiast przed wprowadzeniem całego i poprawnego kodu wybranie błędnej cyfry włączy przekaźnik P5, który z kolei włączy przekaźnik P7 o większej obciążalności styków co można wykorzystać do włączenia syreny alarmu. Wyłączenie alarmu możliwe jest zwiernym przełącznikiem SW11, który przez podanie napięcia na cewkę RESET przekaźnika P5 wyłączy alarm. Można wykorzystać gniazdo słuchawkowe Jack, w którym wtyk będzie pełnił rolę zworki wyłączającej alarm. W tej wersji zamka jeden styk przekaźnika P5 został wykorzystany do odcięcia napięcia +12V doprowadzonego do klawiatury. W ten sposób wybranie w nieodpowiedniej kolejności lub błędnej cyfry oprócz włączenia alarmu blokuje zamek i nie można go otworzyć. Zamek w tej wersji posiada podobne wady jak wersja wcześniejsza. Cewki przekaźników AZ850P2-12 wymagają odpowiedniej polaryzacji dlatego później pojawiła się koncepcja użycia diody prostowniczej w obwodzie zasilania. Przy pomylonej biegunowości zasilania zamek nie będzie działał. Lepszym rozwiązaniem mogłaby być mała dioda LED wraz z rezystorem dodatkowo sygnalizująca poprawność polaryzacji zasilania.

Montaż i uruchomienie

      Ta wersja zamka została zmontowana tak jak poprzednio na dwóch płytkach drukowanych o wymiarach 80 x 55 mm. Płytkę zamka możemy zobaczyć na poniższych rysunkach.

      

      Natomiast płytka klawiatury jest identyczna jak w poprzedniej wersji zamka. Płytki montujemy jak poprzednio od elementów najmniejszych czyli zworek. Ważne jest to szczególnie w przypadku płytki z przekaźnikami, gdyż niektóre zworki znajdują się pod nimi. Zamek również nie wymaga uruchamiania poza zaprogramowaniem kodu. Niewykorzystane w kodzie przełączniki klawiatury dołącza się do złącza oznaczonego jako „ALARM”. Tak jak poprzednio należy zastosować przekaźniki z cewką na 12V. Dzięki temu jednym napięciem możemy zasilać zamek, rygiel a także alarm. W przypadku przekaźników bistabilnych ważne jest zachowanie polaryzacji zasilania. Jeśli zamek będzie włączał obciążenia o małej mocy o prądzie poniżej 1A można zrezygnować z przekaźników P6 i P7. Wówczas należy zewrzeć przewodami odpowiednie pola lutownicze na płytce drukowanej. Warto jednak mieć pewien zapas obciążalności styków. Jeśli nie planujemy częstych zmian kodu to można zrezygnować ze złącz śrubowych łączących klawiaturę i płytkę zamka, łącząc odpowiednie zaciski poprzez przylutowanie przewodów. W modelowym rozwiązaniu pod przekaźniki P1-P5 zastosowałem odpowiednio przycięte podstawki DIP14. Podczas uruchamiania zamka napotkałem problem z pracą przekaźnika P5, który zachowywał się jak brzęczyk. Wymieniłem pod tym przekaźnikiem podstawkę i mocniej go docisnąłem nowej podstawce i objaw ten ustąpił. Jako włączniki krańcowe można wykorzystać wyłącznik pokazany na poniższej fotografii.

      Zawiera on w jednej obudowie styk zwierny i rozwierny i może być zastosowany w obydwóch wersjach zamka oraz jak wcześniej wspomniałem gniazdo słuchawkowe Jack. Prąd tych przełączników nie musi być duży ponieważ sterują one cewkami przekaźników. W przypadku dobierania do tego projektu przekaźników monostabilnych należy uwzględnić, że wielu producentów produkuje takie same przekaźniki, tylko o innych oznaczeniach. Zamki te w stanie czuwania nie pobierają prądu.

Możliwości zmian

      Zmian w tym projekcie dużo wprowadzić się nie da. Można zwiększyć ilość cyfr kodu dodając kolejne przekaźniki w myśl zasady jeden przekaźnik to kolejna cyfra kodu. Na płytce klawiatury można dodać diody LED czerwoną dla alarmu i zieloną dla rygla po bokach klawisza odpowiadającego cyfrze 0. Mogą one sygnalizować stan zamka. Ja z elementów elektronicznych świadomie zrezygnowałem, aby zamek cyfrowy był w pełni elektryczny bez elementów półprzewodnikowych.

Podsumowanie

      Zapewne wiele osób będzie zaskoczonych, że można zbudować zamek cyfrowy zupełnie bez elementów elektronicznych. Rozwiązanie to jednak należy traktować bardziej jako ciekawostkę niż wzór do stosowania. Zamki te mogą pełnić rolę edukacyjnej ciekawostki na przykład w szkole pokazując, że możliwe jest zbudowanie zamka cyfrowego przez jakichkolwiek półprzewodników. Wykorzystane w projektach przekaźniki nie są bardzo tanimi elementami i znacznie taniej można zbudować zamek cyfrowy na mikrokontrolerze, specjalizowanym układzie scalonym UA3730 (obecnie nie produkowany), a nawet układach cyfrowych CMOS lub TTL.

[ethanak]

Pracowałem kiedyś jako konserwator Soemtronów 415/425 - tam cała logika była na przekaźnikach. Fajne wspomnienia przywołałeś

[Christophorus]

Ja z kolei kiedyś pracowałem na obrabiarkach do metalu. Zdarzały się czasami w nich awarie sterowania. Kiedy elektryk otworzył szafę sterującą jednej z nich, ukazała się płyta na której było zamontowane kilkadziesiąt jeśli nie kilkaset przekaźników podobnych do R15. W ówczesnych obrabiarkach do metalu w ten sposób rozwiązywano automatykę sterującą tymi obrabiarkami. 

Natomiast strugarka bramowa na której pracowałem pobierała sporo prądu podczas rozruchu. Posiadała automatyczny przełącznik gwiazda - trójkąt, który po kilku sekundach przełączał silnik napędzający prądnicę prądu stałego. Przełącznik ten w przeźroczystej obudowie zbudowany był na lampie. Jeśli w trakcie rozruchu obrabiarki otworzyło się szafę sterującą, to właśnie uwagę zwracał ten przekaźnik. Na kilka sekund włączał się ten przekaźnik czasowy i przez te kilka sekund świeciła lampa.