Nabouw: elektronische sirene

(gepubliceerd op 20-07-2017)

Een kleine schakeling die sirene-achtige geluidseffecten genereert. Kan door middel van een omschakelaar ingesteld worden op sweepfunctie, waarbij de frequentie van het geluid heen en weer gesweept wordt en intermitterende functie, waarbij één toon afwisselend wel en niet wordt uitgezonden.

Bespreking van de schakeling

Kennismaking met deze universele elektronische sirene
Deze schakeling kunt u gebruiken:

• Bij de modelbouw voor het simuleren van politie- en brandweersirenes.
• Bij amateurtheatergezelschappen voor het genereren van speciale geluidseffecten.
• Bij een inbraakalarm als u de schakeling aansluit op een versterker en luidspreker.
• Bij fancyfairs en andere gelegenheden als aandachttrekker waar publiek door middel van een geluidsinstallatie wordt toegesproken.

De schakeling wordt gevoed uit een niet kritische spanning van 5 Vdc tot 6 Vdc en heeft een ingebouwde eindtrap waarmee u een luidspreker van 1 W rechtstreeks kunt aansturen. Het geheel bestaat uit slechts 13 onderdelen!

Het principe van de schakeling
De sireneschakeling bestaat, volgens het onderstaand blokschema, uit drie blokken.

• Het middelste blok bevat de eigenlijke oscillator die verantwoordelijk is voor het genereren van het uitgangssignaal.
• Het linker blok bevat de schakeling, die de frequentie van de generator bepaalt.
• Het rechter blok bevat het eindversterkertje voor het sturen van de 1 W luidspreker.

Het blokschema van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten)

De vierkantgolf generator
Het principe schema van de vierkantgolf generator is getekend in onderstaande figuur. U moet gebruik maken van de oude, vertrouwde geïntegreerde Schmitt-trigger poort van het type 7413. Let wel! U moet de originele TTL-schakeling toepassen!  Alle andere uitvoeringen, zoals 74L13, 74LS13, 74S13, 74F13 of 74HC13, mogen niet gebruikt worden! Deze hebben andere impedanties aan de in- en uitgangen en het gevolg daarvan is dat de schakeling niet zal werken! De Schmitt-trigger poort wordt geschakeld als astabiele multivibrator. De vier ingangen worden met elkaar verbonden. Deze punten gaan enerzijds via een condensator C naar de massa en anderzijds via een weerstand R naar de uitgang.

De vierkantsgolf generator. (© 2017 Jos Verstraten)

De werking berust op het gegeven dat een Schmitt-trigger een zogenaamde 'hysteresis' heeft. De schakeling werkt als inverterende poort. Als u de ingangsspanning Uin van 0 V laat stijgen zal de uitgang Uuit 'H' zijn totdat de spanning op de ingang een bepaalde drempel U2 overschrijdt. Deze spanning wordt gezien als 'H', het gevolg is dat de uitgang 'L' wordt. Als u nadien de ingangsspanning weer laat dalen, blijft de uitgang 'L' totdat een tweede kleinere drempel U1 wordt bereikt. Op dat moment klapt de poort om en de uitgang wordt weer 'H'. Het spanningsverschil tussen de twee drempels noemt men de 'hysteresis' van de schakeling.
De twee externe onderdelen R en C vormen een integrator, die de uitgangsspanning integreert en het resultaat van deze bewerking aan de ingang aanbiedt. Als de uitgang 'H' is, zal de condensator door de weerstand worden opgeladen. De condensatorspanning kan stijgen tot de bovenste drempel U2. Op dat moment klapt de schakeling om. De uitgang wordt 'L' met als gevolg dat de condensator nu gaat ontladen via de weerstand. De condensatorspanning gaat dalen totdat de onderste drempel U1 wordt bereikt. De uitgang wordt nu weer 'H', het proces gaat zich nu herhalen.
Op de uitgang van de poort verschijnt dus een blokvormig signaal, dat heen en weer slingert tussen de massa 'L' en de normale hoge uitgangsspanning 'H' van de poort. De frequentie van dit signaal wordt bepaald door de waarde van de tijdconstante R✕C van de integrator. Hoe hoger R en C, hoe lager de frequentie.



De vermogenversterker
De uitgangsspanning van de blokgolf generator wordt aangelegd aan de ingang van de schakeling van onderstaande figuur. Deze schakeling bestaat uit twee in cascade geschakelde transistorversterkers, zodat een soort van Darlington schakeling wordt gevormd. Als het ingangssignaal 'L' is zullen beide transistoren sperren. De luidspreker is stroomloos. Wordt de ingang 'H', dan gaat T1 geleiden.

De vermogenversterker. (© 2017 Jos Verstraten)

De collectorstroom van deze trap vormt de basisstroom van transistor T2. Deze halfgeleider wordt volledig in verzadiging gestuurd. De luidspreker wordt kortgesloten over de voedingsspanning en zal een flinke stroom trekken. Op deze manier kunt u, met een minimum aan onderdelen, toch een behoorlijk vermogen in een luidspreker opwekken!

De frequentie stuurschakeling
Het principe van de stuurschakeling is getekend in onderstaande figuur. De rechter deelschakeling is de reeds besproken astabiele multivibrator die het uitgangssignaal van de sirene genereert. De linker schakeling is identiek en levert dus ook een blokvormige spanning op de uitgang af. De frequentie van deze generator is echter veel lager, namelijk gelijk aan ongeveer 0,5 Hz.

De stuurschakeling. (© 2017 Jos Verstraten)

Het uitgangssignaal wordt echter niet gebruikt, wel het signaal dat ontstaat over de condensator C1. Deze spanning wordt via de weerstand R3 aangeboden aan de condensator C2 van de rechter multivibrator. Over C1 ontstaat een soort zaagtandvormige spanning. De spanning over dit onderdeel varieert dus zeer langzaam tussen de beide drempels van de linker poort. Het gevolg is dat condensator C2 nu niet alleen ge- en ontladen wordt via de stroom i2 die geleverd wordt door de terugkoppelingsweerstand R3, maar ook door de stroom i1 die geleverd wordt door weerstand R2. Als de spanning over condensator C1 stijgt, zal ook de stroom i1 stijgen. Condensator C2 wordt nu sneller opgeladen dan normaal, de frequentie van de rechter multivibrator zal stijgen. Omdat de spanning over C1 langzaam stijgt zal ook de stroom i1 langzaam stijgen. Het gevolg is dat de frequentie van de rechter schakeling ook langzaam toeneemt. Er ontstaat een typisch sweepeffect. Als de spanning over C1 weer gaat dalen zal de stroom i1 deze daling volgen. Condensator C2 wordt nu dus trager opgeladen, de frequentie van de rechter schakeling daalt. Het gevolg is dus dat de frequentie op het ritme van de spanning over C1 zal toenemen en afnemen. Er ontstaat het typische sirene-achtige geluid.


Het volledig schema
Het uitgewerkt praktisch schema van de elektronische sirene is getekend in onderstaande figuur. De drie beschreven blokken zijn gemakkelijk terug te vinden. De enige nog niet besproken aanvulling is de omschakelaar S1. Deze schakelt de weerstand R2, verantwoordelijk voor het sweepen van de frequentie, om tussen condensator C2 en de uitgang van de linker poort.

Het volledig schema. (© 2017 Jos Verstraten)

Is deze weerstand met de condensator verbonden, dan ontstaat het reeds beschreven sirene-achtige sweepende geluid. In het andere geval wordt de weerstand R2 verbonden met de blokspanning die op de uitgang van de linker poort ontstaat. Als deze spanning 'H' is, zal er een spanningsdeler ontstaan tussen deze spanning en de uitgang van de rechter poort. Deze spanningsdeler bestaat uit de weerstanden R2 en R3. Deze weerstanden zijn zo berekend dat de spanning op het knooppunt, dus op de ingang van de rechter poort, groter is dan de bovenste drempel van deze Schmitt-trigger. Het gevolg is dat de uitgang van de rechter poort 'L' blijft. De eindversterker wordt niet gestuurd, de luidspreker zwijgt. Wordt echter de spanning op de uitgang van de linker poort 'L', dan zal de spanningsdeler de spanning op de ingangen van de rechter poort niet rechtstreeks beïnvloeden. Het enige dat er gebeurt is dat de spanning over condensator C3 door een extra ontlaadstroom via R2 wordt belast. De schakeling kan echter wel oscilleren.
Over de luidspreker wordt een diode D1 geschakeld. De luidspreker wordt immers aan en uit gestuurd. Bij het uitschakelen kan er over de inductantie van de luidsprekerspoel een vrij grote tegenspanning ontstaan. Deze wordt kortgesloten door de diode, zodat deze de eindtransistor niet kan vernielen.

Het effect van de omschakelaar
Met de schakelaar S1 kunt u dus het soort geluidseffect schakelen:

• Staat deze schakelaar in de onderste stand, dan zal de schakeling een sweepend geluid produceren.
• Staat deze schakelaar in de bovenste stand, dan wordt een intermitterende toon opgewekt.

De voeding voor de schakeling
De schakeling is uitgerust met een TTL-IC en moet dus gevoed worden uit een spanning die ligt tussen +5 Vdc en +6,5 Vdc. In de praktijk kunt u gebruik maken van vier 1,5 V batterijen die, is serie geschakeld, een spanning van 6 Vdc leveren. De inwendige weerstand van de batterijen wordt ontkoppeld door de grote condensator C1 die over de voeding is geschakeld.

De bouw van de schakeling

De sirene hoort thuis op het printje aan de hand van onderstaande componentenopstelling. Over de bouw is werkelijk niets interessant te vertellen. Het komt er op aan alle onderdelen netjes vast te solderen en de schakeling werkt gegarandeerd!

Het printje van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten)

De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten)

(Bol.com sponsor advertentie)
50 PIC Microcontroller Projecten