Принципиальные схемы простых кодовых замков (10 схем)
Обычные механические замки имеют невысокую степень защиты в силу ограниченного числа комбинаций. Также возможна потеря ключа или снятие с него слепка. Электронные кодовые замки позволяют обеспечить индивидуальный или коллективный доступ в помещения, к оборудованию, сейфам и другим объектам без применения традиционных механических замков и ключей.
В электронных кодовых замках, как и в механических, часто используют принцип совпадения признаков. Очевидно, что наиболее простой и, соответственно, предельно надежной схемой совпадений является заданная пользователем последовательность включения элементов коммутации.
Рис. 22.1
На рис. 22.1 показана одна из простейших схем кодового замка с использованием электромагнитного запорного устройства [Рл 9/99-24]. Схема питания электромагнитного замка и его конструкция не приводятся. Для включения исполняющего устройства (электромагнитного замка) предназначено реле К1, а реле К2 включает звонок, конкретная схема которого также не приводится. Кнопки наборного поля SB1 — SBn, а также кнопку SB0 «Звонок» устанавливают на входной двери.
Кнопки SBm устанавливают внутри помещения в разных местах, что позволяет хозяину открывать дверь, не подходя к ней. Активными для набора кодовой комбинации являются кнопки SB1 — SB4. Их число может быть увеличено или уменьшено по усмотрению пользователя.
Устройство работает следующим образом: при подаче питания конденсаторы С1 и С2 заряжаются за 10 сек, и электронный замок готов к работе. Реле К1 срабатывает на время разряда конденсатора С1 через обмотку (на 2...3 сек) только при одновременном нажатии кнопок SB1 — SB4, и, соответственно, не реагирует на их последовательное поочередное нажатие. Если будет ошибочно нажата любая из кнопок SB5 — SBn, произойдет мгновенный разряд конденсатора С1 через резистор R2, и устройство придет в рабочее состояние только через 10 сек (после заряда конденсатора С1). В это время даже правильный набор кода не сможет открыть замок.
Схема питания реле К2 звонковой цепи также использует времязадающую цепь — R3, С2. Это исключает частую подачу сигналов (чаще чем через 10 сек и длительностью свыше 2...3 сек), что не создает лишнего шума и не позволяет пережечь обмотку звонка.
Кнопка звонка SB0 соединена через диод VD1 и резистор R2 с конденсатором С1 кодового замка. При попытке проникновения в помещение злоумышленники зачастую проверяют наличие в нем хозяев — нажимают на кнопку звонка, а затем пытаются открыть дверь. Нажатие на звонковую кнопку SB0 приводит к разряду конденсатора С1, что делает невозможным открытие замка на время задержки даже при наборе правильной комбинации.
На рис. 22.2 показана схема кодового замка с использованием иного способа защиты: замок срабатывает только при одновременном нажатии кнопок SB1 — SB4 и кнопки SB0 «Звонок» [Рл 9/99-24]. Если кнопка SB0 будет нажата до одновременного нажатия кнопок SB1 — SB4, включается звонок, что позволяет привлечь внимание хозяев (если они дома) или сторонних лиц.
Как и в предыдущем случае, нажатие на любую из кнопок SB5 — SBm вызовет разряд времязадающего конденсатора С1. Повторный набор будет возможен только через 10 сек, когда напряжение на обкладках конденсатора превысит напряжение пробоя стабилитрона VD3, включенного в базовую цепь составного транзистора VT1, VT2. Реле К1 (управление электромагнитным замком) является нагрузкой составного транзистора, а реле К2 («Звонок») — нагрузкой транзистора VT3.
Рис. 22.2
Если набран правильный код и активизировано реле К1, транзистор VT3 закрыт, и реле К2 (управление звонковой цепью) будет обесточено, нажатие кнопки SBO «Звонок» вызовет срабатывание реле К1 (управление электромагнитом замка). Как вариант может быть использовано иное подключение реле К1, К2 (рис. 22.3). Кнопки SBm предназначены для дистанционного открытия замка изнутри помещения. При нажатии на кнопку SB0 («Звонок») произойдет разряд конденсатора С1.
Рис. 22.3
Сочетанием схем, приведенных на рис. 22.1 — 22.3, может быть получен другой вариант схемы (рис. 22.4).
По схеме на рис. 22.5 может быть реализован электронный кодовый замок иного принципа действия [Рл 9/99-24]. Особенностью замка является строго обусловленная последовательность нажатия кнопок. В результате этого, сначала происходит заряд конденсатора СЗ, а потом его подключение последовательно с заряженным конденсатором С2. Удвоенное напряжение этого «источника напряжения» через стабилитрон VD3 поступает на базу составного транзистора VT1, VT2, который управляет реле К2 (электромагнит).
Для срабатывания этого устройства необходимо: одновременно нажать на кнопки SB2 и SB4, затем, отпустив эти кнопки, одновременно нажать на кнопки SB1 и SB3. При нажатии на любую из кнопок SB5 — SBm или SB0 «Звонок» произойдет разряд конденсатора С2 и отсрочка на 10 сек времени повторной попытки набора. Для усложнения условий набора кода может быть использована цепочка элементов (рис. 22.6) вместо конденсатора СЗ. Эта цепочка задает время (продолжительность) нажатия на кнопки при заряде и определяет время саморазряда конденсатора СЗ.
Рис. 22.4
Приведенные выше схемы работают при одновременном нажатии нескольких кнопок. Число возможных комбинаций при четырехкнопочном наборе кода и кодовом поле 3x3 (9 кнопок) составляет 3024, при кодовом поле 4x4 — 43680, при 5x5 — 303600.
Местоположение кнопок в наборном поле определяет пользователь. Периодически рекомендуется менять код набора. Тем самым снижается вероятность подбора кода посторонними лицами путем последовательного перебора комбинаций. При неизменном коде наиболее часто используемые кнопки загрязняются и демаскируют себя. Кнопки должны включаться без щелчка, чтобы нельзя было на слух определить число нажатий. При наборе кода замков, выполненных по схемам рис. 22.1 — 22.4, рекомендуется имитировать последовательное нажатие кнопок. В любом случае нажимаемые кнопки не должны быть видны посторонним.
Электронный замок следует разместить в металлическом закрытом корпусе как для снижения влияния на работу замка сетевых наводок, так и для ограничения или исключения возможности визуального установления кода замка (при снятии крышки устройства). Для повышения надежности работы устройства желательно предусмотреть резервированное аккумуляторное питание.
Рис. 22.5
Рис. 22.6
Рис. 22.7
Предельно простые кодовые замки и их элементы показаны на рис. 22.7 и 22.8. Работа замка основана на последовательном и единственно правильном соединении переключателей. На рис. 22.7 изображен один из элементов кодового замка, представляющий собой двойной многопозиционный переключатель. Подобные устройства используют в камерах хранения вокзалов. В кодовом замке другого типа использована последовательность таких элементов (рис. 22.8), Чем больше число элементов, тем выше степень секретности замка: она возрастает пропорционально числу позиций переключателя SA2 (SA1) в степени п, где п — число типовых элементов кодового замка.
Внутренними (скрытыми от постороннего взора) переключателями SA2 (цепочкой типовых элементов) устанавливают требуемый цифровой и/или буквенный код. После этого дверь камеры захлопывают, и устройство переходит в режим охраны. Для того чтобы дверцу можно было открыть, на внешних переключателях SA1 необходимо установить «правильный» код и нажать кнопку подачи питания на исполнительный механизм. Если был набран неверный код, включится сигнал тревоги. Подробности выполнения такого варианта схемы мы специально не приводим, полагаясь на то, что читатель сумеет самостоятельно или с помощью наставника решить эту задачу.
Рис. 22.8
Для настройки и экспериментов со схемами в качестве нагрузок устройств вместо обмоток реле могут быть использованы генераторы звуковых частот либо светоизлучающие диоды (с токоограничивающим резистором величиной 330...560 Ом). Так, вместо реле («Звонок») во всех схемах можно включить генератор звуковых сигналов, см., например, схемы в главе 11. В качестве нагрузки можно использовать и высокочастотные генераторы малой мощности, что позволит осуществлять дистанционное управление различными приборами или сигнализировать о попытках проникновения в помещение.
При использовании в схемах реле, их следует отбирать по напряжению срабатывания ниже напряжения питания, причем рабочий ток реле должен быть таков, чтобы времяограничивающие конденсаторы, включенные параллельно обмотке реле, успевали полностью разряжаться за 2...3 сек.
Для дальнейшего повышения надежности кодовых замков перспективно использование магнитоуправляемых контактов (герконов) — герметичных контактов, заключенных в запаянную стеклянную ампулу. Контакт срабатывает при поднесении к нему постоянного магнита даже через разделяющую их пластинку из немагнитного материала. Это значительно повысит долговечность и скрытность замка.
Конструирование кодовых замков полезно не только в связи с их практической значимостью, но, главным образом, в плане развития творческой инициативы, безграничного совершенствования устройств различного, порой неповторимого принципа действия.
На приводимых ниже схемах показаны варианты схем кодовых замков с использованием тиристоров и /ШО/7-коммутаторов [Рк 5/00-21, Рл 9/99-24].
На рис. 22.9 показан типовой наборный элемент кодового замка, применяемый для этих схем (рис. 22,10 — 22.13). Такие элементы могут быть установлены в атташе-кейсах, индивидуальных сейфах, камерах хранения, системах управления сложным техническим оборудованием, предназначенным для выполнения ответственных работ.
Рис. 22.9
После набора внутреннего кода (установки переключателей SA2 в положение, определяемое пользователем) дверцу захлопывают. Замок автоматически защелкивается. Число возможных вариантов кодовых сочетаний равно числу позиций переключателей SA1 и SA2, возведенных в степень, равную числу типовых наборных элементов.
Для того чтобы открыть замок, необходимо на типовых наборных элементах кодового замка набрать требуемый код. Последовательность типовых элементов замка представляет собой простейшую схему совпадения.
В случае, если набран правильный код, управляющий переход транзистора VT1 (рис. 22.10) оказывается замкнутым. Вследствие этого, при нажатии на кнопку SB1 «Откр», сопряженную с ручкой дверцы, электромагнитное реле К1 (элемент управления замком) подключается к источнику питания. Реле сработает, его контакты К1.1 включат электромагнит замка, и замок откроется.
Рис. 22.10
При неправильном наборе кода и подергивании ручки дверцы (нажатии на кнопку SB1 «Откр.»), напряжение через обмотку реле К1 поступит на базу транзистора VT1, и он откроется. Одновременно с резистора R4 на управляющий электрод тиристора VS1 поступит отпирающий сигнал, который включит его, что приведет к срабатыванию реле К2. Контакты реле разомкнут цепь набора кода и включат цепь сигнализации попытки несанкционированного проникновения на охраняемый объект (звонок Cs, сигнальную лампу, электронную сирену или их сочетание; включат иной исполнительный механизм).
Повторный набор кода будет возможен только после нажатия на кнопку SB2 «Сброс». Поскольку ток через обмотку реле К1 в случае неправильного набора кода невелик (ограничен резистором R1 и другими элементами схемы), срабатывания реле К1 не происходит. Таким образом, пользователю для открытия замка предоставляется всего одна попытка, что резко ограничивает возможность подбора кода посторонними лицами.
Включенные параллельно обмоткам реле диоды VD1, VD2, препятствуют развитию колебательных процессов при коммутации индуктивной нагрузки (обмоток реле). Конденсатор С1 исключает вероятность ложного срабатывания устройства за счет наводок и переходных процессов.
Как и для иных ответственных устройств, к которым предъявляются повышенные требования по надежности, в случае практического использования электронных кодовых замков целесообразно предусмотреть резервное питание устройства от аккумулятора на случай планового или аварийного отключения источника питания.
Модифицированные варианты описанной выше схемы, демонстрирующие возможность питания устройства от источника напряжения другой полярности, представлены на рис. 22.11, 22.12. Принцип их работы остался прежним: в схемах содержится последовательность наборных элементов, своеобразной схемы совпадения, а также тиристорный ключ, реле и элементы сигнализации.
Рис. 22.11
По сравнению с предыдущей схемой устройство (рис. 22.11) имеет пониженную чувствительность и поэтому требует индивидуального подбора величины резистора R1, включенного в цепь управления тиристором. При выборе типа реле К1 необходимо учесть, что ток его срабатывания должен значительно превосходить управляющий ток тиристора. Это исключит ложное срабатывание устройства.
Вариант кодового замка, выполненный на транзисторном аналоге тиристора, показан на рис. 22.12. В схему введен элемент задержки срабатывания — конденсатор С1 большой емкости. При этом срабатывание блокирующего устройства осуществляется на несколько мгновений позже. Это и позволяет пользователю убедиться в том, что дверца захлопнута, и замок закрыт.
Рис. 22.12
Рис. 22.13
Несколько иной принцип действия использован в схеме кодового замка, изображенной на рис. 22.13.
Как и в предыдущих случаях, при правильном наборе кода последовательно включенные типовые элементы кодового замка обеспечат подачу напряжения питания на обмотку реле К1 при нажатии на кнопку SB1 «Откр.». Одновременно кратковременно включается звонок Cs, звучит звуковой сигнал, предупреждающий об открытии замка. Блокировки действия звукового сигнализатора в этом случае не происходит.
В исходном состоянии сопротивление канала исток — сток полевого транзистора невелико, управляющий электрод тиристора «закорочен» на общий провод, тиристор закрыт.
При неправильном наборе кода и нажатии на кнопку SB1 «Откр.» также звучит звуковой сигнал. Поскольку обмотка реле К1 соединена последовательно с резистором R1 (100 кОм), ток через его обмотку мал, и реле не срабатывает. В то же время напряжение питания поступает через обмотку реле К1 и резистор R2 на конденсатор С2 и заряжает его примерно за 5 сек.
Если кнопка SB1 «Откр.» нажата свыше 5 сек, или производятся попытки подбора кода с периодическим подергиванием дверцы (замыканием кнопки SB1), конденсатор С1 зарядится. Сопротивление исток — сток полевого транзистора VT1 резко возрастет, тиристор VS1 включится. Реле К2 — нагрузка тиристора — своими контактами К2.1 разомкнет цепь набора кода и включит звуковую или иную сигнализацию.
Следующее обращение к замку будет возможно лишь после деблокировки схемы — нажатии кнопки SB2 «Сброс». Время задержки срабатывания (в секундах) определяется параметрами элементов RC-цепочки (C2R2), где емкость выражена в микрофарадах, а сопротивление — в МОм. Для варьирования этого времени можно предусмотреть использование в качестве резистора R2 потенциометра, позволяющего устанавливать любое, на усмотрение пользователя, время задержки срабатывания от 0 до нескольких секунд. Диод VD2 предназначен для мгновенного разряда конденсатора С2 при «правильном» наборе кода и не является обязательным элементом.
Электронный кодовый замок с кнопочным управлением (рис. 22.14) использует /ШОГ7-коммутаторы (микросхема DA1 К561КТЗ) и выходной каскад на транзисторе VT1 с исполнительным реле К1 [Рл 9/99-24].
Приведенные ранее схемы работают при одновременном нажатии нескольких кнопок. Электронный замок (рис. 22.14) срабатывает при последовательном или одновременном нажатии «правильных» кнопок SB1 — SB4. Нажатие кнопки SB1 вызывает подачу высокого уровня на управляющий вход ключа DA1.1 (вывод 13 микросхемы) и запоминание этого уровня на конденсаторе С1. Включается ключ DA1.1. Замыкание ключа DA1.1 позволяет при нажатии кнопки SB2 подать напряжение высокого уровня на управляющий вход следующего ключа и т.д. — по цепочке.
Конденсаторы С1 — С4 запоминают состояние «высокого уровня» на время в несколько секунд, определяемое величинами
резисторов R2, R4, R6, R8, включенных параллельно этим конденсаторам. Если в процессе набора кода будет ошибочно нажата кнопка SB5 — SBm или время набора кода будет велико, конденсаторы С1 — С4 разрядятся. Ключи коммутатора (коммутаторов) разомкнутся, что не позволит открыть замок.
Как и в предыдущих схемах, неправильный набор кода или нажатие кнопки звонка вызовет разряд конденсатора С5 и воспрепятствует дальнейшему набору кода. Вместо кнопок SB1 — SB4 в схеме (рис. 22.14) могут быть установлены типовые наборные элементы (рис. 22.1). В этом случае замок утрачивает свойство защиты от подбора кода. Как вернуть ему это свойство, рекомендуется решить самостоятельно.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год