|
Hoewel er tal van zeer luide elektromechanische sirenes in de handel zijn voor niet eens zoveel geld, is het zélf bouwen van zo'n herriemaker erg leuk. Immers, de noodzakelijke schakelingen zijn erg eenvoudig, gemakkelijk te doorgronden en ongecompliceerd in elkaar te solderen. |
De elektronische sirene
Eisen
Een sirene moet in allereerste instantie natuurlijk aan de welbekende HELIOS-norm voldoen: 'Herrie En Lawaai Is Ons Streven'. Daarnaast kunt u een aantal nuttige extra's in het schema verwerken. Zo moet een sirene over een geheugen beschikken, zodat het volstaat een korte puls aan te bieden om het lawaai in gang te zetten. Maar omdat tal van alarmsystemen niet voor 100 % betrouwbaar zijn en af en toe per abuis triggeren is het handig als de sirene zich na een tijdje automatisch uitschakelt. Buren liggen dan niet de hele nacht tegen het elektrisch gehuil op te woelen in bed.
Bovendien is het handig als een sirene een TEST-knop heeft, waarmee u om de maand even kunt testen of het apparaat het nog doet.
Uiteraard moet de schakeling uit +12 V gevoed worden, immers dé standaard voeding van alle alarmcentrales en van de noodstroom-accu die daarin aanwezig is.
Op het aantal dB's komt het aan
De meeste zeer luide sirenes werken met motoren en een soort ventilatoren, die een luchtstroom opwekken en via een ventiel met welbepaalde vorm en afmetingen deze luchtstroom in trilling brengen. Niets voor de zelfbouwer, dus!
De keuze van de ontwerper is gevallen op een goedkoop alternatief: een kwalitatief laagstaande, maar qua vermogen hoogstaande, tweeter of hoge tonen luidspreker, met als typenummer MPT-177 van Stageline. Dit ongeveer € 15,00 kostende toetertje is in onderstaande foto voorgesteld. Deze tweeter heeft een impedantie van 8 Ω en een maximaal vermogen van 115 W. Uit de impedantiegrafiek die u in catalogi kunt aantreffen blijkt dat deze tweeter een enorme resonantiepiek heeft tussen 2,0 kHz en 3,5 kHz. In deze toepassing kunt u deze bult goed gebruiken door de sirene precies op deze frequentie af te stemmen. HELIOS verzekerd!
 |
| De MPT-177 is de lawaaimaker van deze nabouwschakeling. (© Conrad Electronic) |
De keuze voor een MPT-177 is nogal toevallig tot stand gekomen. Er zijn talloze soortgelijke tweeters in de handel, sommige zelfs veel goedkoper, die u net zo goed in deze schakeling kunt gebruiken. De eis is in ieder geval dat zij een impedantie van 8 Ω hebben en minimaal 50 W kunnen verwerken.
Het blokschema
Het blokschema van deze universele zeer luide sirene is getekend in onderstaande figuur. Het blokvormige uitgangssignaal van een 0,5 Hz oscillator wordt door een RC-kring R1/C1 omgezet in een soort driehoek en deze spanning stuurt via de weerstand R2 een VCO oftewel een spanningsgestuurde oscillator. Op het ritme van de driehoek gaat deze schakeling een blokspanning produceren tussen 5 kHz en 7 kHz. Dit signaal wordt aangeboden aan een flip-flop, die de frequentie keurig door twee deelt. Op de twee uitgangen Q en Q-niet staan dus twee mooie vierkantsgolven ter beschikking met een frequentiezwaai tussen 2,5 kHz en 3,5 kHz. Net het frequentiegebied waar de MPT-177 wel pap van lust! En die pap komt uit twee ketels. De twee ten opzichte van elkaar geïnverteerde blokspanningen worden immers aan twee vermogenstrapjes aangeboden, waartussen de luidspreker staat geschakeld. Een soort eenvoudige brugversterker dus, die tot gevolg heeft dat de elektronen of in de ene of in de andere richting door des MPT-177's spreekspoel rennen.
De flip-flop heeft set- en reset-ingangen en deze worden gestuurd uit een soortgenoot, die het geheugen van de sirene representeert.
Bij het inschakelen van de voeding mag de luidspreker niet gaan loeien. Vandaar een automatische opstart-reset, gevoed uit een RC-netwerkje R3/C2. De S-ingang van de onderste flip-flop ontvangt de startpuls van de alarmmelders. De Q van deze schakeling wordt 'H', deze spanning wordt vertraagd en stuurt de tweede ingang van de reset-poort. Het systeem legt zichzelf, na een door de tijdconstante van de vertrager bepaalde tijd, het zwijgen op.
 |
| Het blokschema van deze zeer luide sirene. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het praktisch schema
De signaalvormer
De praktische vertaling van het signaalvormende deel van het blokschema is getekend in onderstaand figuur. Door een uitgekiend ontwerp kunnen alle functies door slechts twee CMOS IC'tjes worden vervuld. Het signaal wordt gegenereerd door de twee Schmitt-trigger poorten IC1a en IC1b en de flip-flop IC2a. IC1a vormt de klassieke schakeling van een rechthoekgenerator met een Schmitt-trigger poort.
Signaal UA wandelt heen en weer tussen de twee drempels U1 en U2 van de Schmitt-trigger, het gevolg is dat de uitgang UB heen en weer schakelt tussen 'H' en 'L'. Dit signaal wordt door het RC-netwerk R2/C2 weer omgezet in een soort driehoek. Over de condensator ontstaat dus dezelfde spanningsvorm als aan de ingang van de poort, het enige verschil is dat de tijdconstante zo gekozen is dat het signaal tussen de nul en de voeding heen en weer slingert.
De tweede poort is identiek geschakeld. Het op- en ontladen van C3 wordt nu echter een handje geholpen door de stroom, die via R3 uit het signaal van de eerste poort wordt aangevoerd. De uitgang van de tweede poort wordt dus gemoduleerd en de frequentie gaat langzaam heen en weer tussen 5 kHz en 7 kHz.
Flip-flop IC2a is van het D-type. Door Q-niet te verbinden met de D zal de frequentie van het signaal dat aan de klok CL wordt aangelegd door twee worden gedeeld. De signalen UE en UE-niet zijn dus mooie, geïnverteerde blokgolven met frequenties tussen 2,5 kHz en 3,5 kHz als de flip-flop wordt toegestaan te delen!
 |
| Het praktische schema van het geluidsgenererende deel van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dat is echter alleen het geval als beide rechtstreekse ingangen R en S 'L' zijn. In de meeste toepassingen gebruikt men deze ingangen om de stand van de flip-flop in één van beide mogelijkheden te fixeren. Zo zal een 'H' op R de Q 'L' maken en een 'H' op S de Q 'H'. Een situatie die in de praktijk nooit wordt gebruikt, namelijk R en S beide 'H', wordt hier wél toegepast. Volgens de waarheidstabel zijn dan zowel Q als Q-niet 'H'. Zoals later zal blijken is deze zogenaamde illegale besturing uitstekend geschikt voor het dichtdrukken van de brugversterker.
 |
| De werking van het geluidsgenererende deel grafisch toegelicht. (© 2018 Jos Verstraten) |
Wat onderstaande figuur in the picture brengt, waar het besturingssysteem van de flip-flop IC2a in beeld is gebracht. U gaan er van uit dat alle condensatoren ontladen zijn en de netspanning wordt ingeschakeld. Spanning UF stijgt van 0 naar de voedingsspanning, C5 wordt immers opgeladen via R7. De tijdelijke 'L' op de onderste ingang van poort IC1d heeft tot gevolg dat uitgang UL 'H' is. Deze spanning stuurt de reset van flip-flop IC2b. Q-niet wordt 'H' (UH) en dit signaal stuurt de R-S aansluiting van IC2a. Beide uitgangen van deze flip-flop zijn 'H'.
Q van IC2b is 'L', het signaal UJ is dus ook 'L' en dit lage niveau wordt geïnverteerd door poort IC1c. UK is 'H'. Na enige milliseconde breekt de spanning UF door de drempel van Schmitt-trigger IC1d. Beide ingangen zijn 'H', de uitgang UL wordt 'L' en de resetpuls van IC2b valt weg. Het systeem is geïnitialiseerd.
Op tijdstip t2 wordt er een smalle positieve puls op de ingang van de schakeling aangelegd. Deze UG set de onderste flip-flop. UH wordt 'L' en UI 'H'. De S-ingang van de bovenste flip-flop wordt dus 'L', de schakeling wordt vrijgegeven en de uitgangen UE en UE-niet gaan oscilleren en sturen de eindversterkers.
Het hoge signaal UI laadt condensator C4 op via de hoge weerstand R6. Spanning UJ gaat langzaam stijgen en na ongeveer twee en halve minuut wordt de bovenste drempel van Schmitt-trigger IC1a bereikt (tijdstip t3). Uitgang UK wordt 'L' en het gevolg is dat uitgang UL van NAND-poort IC1d 'H' wordt. De onderste flip-flop wordt gereset, UI wordt 'L' en UH wordt 'H'. De bovenste flip-flop wordt afgeknepen door de 'H' op de R-S en beide uitgangen zoeken het weer in hogere sferen.
Condensator C4 wordt snel ontladen via de kleine weerstand R5 en diode D1. Na enige milliseconde is spanning UJ onder de onderste drempel van de Schmitt-trigger gedaald. UK wordt weer 'H', UL weer 'L' en de schakeling bevindt zich weer in de uitgangspositie.
Samengevat geldt dat na het ontvangen van een smalle positieve startpuls de schakeling gedurende ongeveer 2,5 minuten twee ten opzichte van elkaar geïnverteerde signalen zal opwekken. Voor de rest zijn deze uitgangen beide 'H'.
De rechter grafieken van de figuur geven de werking van de schakeling weer als u na het ontvangen van een startpuls (t5) op de resetknop drukt (t6). Na deze uitgebreide uitleg zult u dit resetten van het geheel gemakkelijk zelf kunnen ontleden!
 |
| De werking van de besturing grafisch toegelicht. (© 2018 Jos Verstraten) |
Om uit de beschikbare voedingsspanning van +12 V zoveel mogelijk vermogen en geluid te halen, werd gekozen voor een klein brugversterkertje. Het schema is getekend in onderstaande figuur. Twee volledig identieke schakelingen worden gestuurd uit de ten opzichte van elkaar geïnverteerde spanningen Q en Q-niet.
Stel dat de schakeling in rust is en beide ingangen dus 'H' zijn. Uitgang Q stuurt transistor T1 in geleiding. Een forse basisstroom voor T3 is het resultaat, die de halfgeleider in verzadiging stuurt. De basis van T2 wordt naar de nul getrokken en omdat er tussen basis en emitter van deze transistor een silicium diode D2 is opgenomen zal de basis steeds negatiever zijn dan de emitter. Het is dus absoluut uitgesloten dat T2 in deze situatie kan geleiden. En dat is maar goed ook, want zou T2 ook geleiden, dan zou de voeding worden kortgesloten via T2 en T3!
Voor de onderste kring geldt uiteraard hetzelfde verhaal. T5 in verzadiging en T4 in spertoestand.
De luidspreker is nu aangesloten op twee punten die via verzadigde transistoren met massa zijn verbonden en de luidspreker zal geen stroom verbruiken.
Stel nu dat de schakeling wordt geactiveerd en Q en Q-niet geïnverteerde blokgolven leveren. Als Q 'H' is zal T3 geleiden en T2 sperren. De linker aansluiting van de luidspreker ligt via D2 aan massa. Q-niet is dan 'L'. Transistor T6 spert en T5 ook. T4 kan nu echter wél basisstroom uit de voeding trekken via weerstand R16. T4 wordt in geleiding gestuurd via R16 en de rechter aansluiting van de luidspreker wordt met de voeding verbonden. Er loopt stroom door de kring T4, LS1, D2 en T3.
Als de spanningen op Q en Q-niet omkeren gaat T2 geleiden, T3 sperren, T4 sperren en T5 geleiden. Er vloeit nu stroom door de kring T2, LS1, D3 en T5. De luidspreker wordt doorlopen door dezelfde grote stroom, die nu echter in tegengestelde richting door de spreekspoel vloeit.
Een en ander heeft tot gevolg dat de conus van de luidspreker in het ene geval maximaal naar binnen en in het andere geval maximaal naar buiten wordt bewogen. Hetgeen garant staat voor maximaal vermogen uit de beschikbare 12 V voedingsspanning.
 |
| De eindversterker haalt maximaal vermogen uit de 12 V voedingsspanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
In de onderstaande figuren zijn het printontwerp en de componentenopstelling voorgesteld. De bouw is probleemloos en kan door iedereen, met weinig of veel ervaring, tot een goed einde worden gebracht.
De vier eindtransistoren moeten op U-vormige koelplaatjes worden gemonteerd.
 |
| Het printontwerp voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Deze zeer luide sirene wordt gevoed uit een spanning van +12 V, die een gemiddelde stroom van 1,5 A moet kunnen leveren. Dat betekent dus dat de piekstroomcapaciteit veel hoger is en u geen gestabiliseerde voeding met al dan niet automatische stroombegrenzing kunt inzetten. Een gewone trafo met gelijkrichter en afvlakelco van minstens 4.700 µF is ideaal. Vergeet echter niet dat de CMOS-IC's bij +15 V gaan protesteren en bij +18 V in stervensnood geraken!
In de meeste gevallen zult u de schakeling uiteraard gebruiken als onderdeel van een alarminstallatie. Dan is de voeding al helemaal geen probleem. De in iedere alarmcentrale ingebouwde 12 V accu kan zonder enig probleem de schakeling rechtstreeks voeden.
Belangrijke opmerking
Zet, tijdens het testen van of experimenteren met de schakeling een weerstand van 22 Ω en 10 W in serie met de MPT-177! Het in een kleine, afgesloten ruimte blootgesteld staan aan het onverzwakte volume kan ernstige gehoorbeschadiging tot gevolg hebben! Denk er ook aan dat huisdieren nooit in een kleine ruimte aanwezig mogen zijn waar de sirene op vol vermogen werkt.
Op Amp Applications Handbook
