Vernetzung von Rauchmeldern
Einführung
Rauchmelder sind in Deutschland immer noch sehr wenig verbreitet.
Ganz im Gegensatz zu den USA, wo sie in fast jedem Haus zu finden
sind. Dabei sind sie eine sehr wirkungsvolle Methode, um beginnende
Brände schon im Schwelzustand sicher zu melden; also lange bevor das
Kohlenmonoxyd seine tödliche Wirkung entfalten kann. Und diese
Geräte sind heute schon für weniger als 5 Euro zu haben und
zwar einschließlich des SD–191H (Beschreibung,
145 kB), der von der Stiftung Warentest im November 2002
zusammen mit 6 weiteren mit "gut" bewertete wurde. Er wird
häufig im Elektromikversandhandel und in Baumärkten angeboten.
Kürzlich (Sept. 2004 bei Praktiker und Nov. 2004
bei Aldi-Süd) sind allerdings Plagiate (Artikel
aus der SZ, 79 kB) vertrieben worden, die äußerlich gleich
aussehen, aber schlecht oder gar nicht funktionieren und Testurteil
und Gütesiegel zu Unrecht tragen. Sie sollen an dem
Herstellungsdatum 10. Mai 2004 (2004MAY10) erkennbar sein. Es
empfiehlt sich also vorsichtshalber ein Test mit einem angesengten
und noch rauchenden Holzspan, ob das Gerät ordnungsgemäß
funktioniert.
Der SD–191H ist ein
photoelektrischer Rauchmelder, der auf Schwelbrände anspricht. Im
Gegensatz dazu sprechen die Ionisationsmelder eher auf offene Flammen
an. Leider ist dieser preiswerte Rauchmelder ebenso wie seine
Mitbewerber ein Einzelgerät. Eine Zusammenschaltung mit den Meldern
in anderen Räumen zu einem Meldesystem ist nicht implementiert.
Dabei besitzt das im Gerät verwendete Motorola-IC MC145012P
(Datenblatt
271kB) sogar einen I/O-Anschluss, der nur nicht verdrahtet ist.
Die 9-Volt-Batterie hält mehrere Jahre, wenn man eine
Alkali-Mangan-Batterie vom ISO-Typ 6LR61 wählt statt der
mitgelieferten Zink-Kohle-Batterie (Typ 6F22), die nur einen
Bruchteil der Kapazität aufweist.
Die Idee
Der im MC145012 implementierte I/O-Pin hat bei der wired-or
Zusammenschaltung mit weiteren Meldern zwei Funktionen:
einerseits meldet er mit positivem
Pegel das Vorliegen eines Alarmes, wobei es gleichgültig ist, ob es
sich um einen wirklichen Alarm handelt oder ob nur die Taste "Test"
gedrückt wurde und
andererseits löst er als positives Eingangssignal bei
den anderen Rauchmeldern einen Sekundäralarm aus, der sich
akustisch vom Original nicht unterscheidet. Nur am Fehlen des
Blinkens der LED lässt sich der Sekundärstatus ablesen. Mich hat
diese Lösung nicht überzeugt.
Nach genauerer Untersuchung der Schaltung des SD-191H ergab sich
aber eine andere recht einfache Erweiterungsmöglichkeit zum
Zusammenschalten zu einem einfachen Meldesystem "Jeder an
Jeden", d. h. egal wo ein Alarm auftritt, er wird an allen
anderen angeschlossenen Meldern ebenfalls signalisiert. Dabei ist
aber sofort erkennbar, ob es sich um den Originalalarm oder eine
Relaismeldung handelt.
Meldung und Steuerung
Jeder
Melder besitzt einen Piezo-Gegentakt-Schwinger, der den lauten Alarm
abgibt. Dazu werden die beiden Steuerelektroden wechselweise mit der
negativen Betriebsspannung (Masse) oder dem Pluspol der Batterie
verbunden. Eine der beiden Elektroden führt also im Alarmfall immer
ein positives Potential, während im Ruhezustand beide Elektroden an
Masse liegen. Mit zwei Dioden lässt sich also recht einfach ein
Meldesignal erzeugen. Dieses Signal müsste man auch mit einer Diode
vom I/O-Pin 7 abnehmen können (nicht erprobt).
Die Taste zum
Funktionstest, die man nach Beschreibung einmal wöchentlich
betätigen soll, legt den Steueranschluss des IC (Pin 16), der im
Ruhezustand Massepotential hat, direkt an die positive
Betriebsspannung. Aber auch eine um 1,5 Volt niedrigere Spannung
löst den Alarm noch zuverlässig aus. Man kann also die Meldungen
aller Geräte parallel schalten und über eine Sammelleitung und je
eine Diode an die Testeingänge aller Melder legen und schon hat man
den gewünschten Sammelalarm an allen anderen Meldern.
De facto
hat man dann aber eine einzige Leitung auf der die Alarmmeldung und
Steuerung zusammen liegen, was im Prinzip der im IC implementierten
Lösung entspricht. Da sich aber nun nach einer Primärmeldung alle
Melder im Testzustand befinden und jeder an alle anderen einen Alarm
meldet, hört dieser Alarm erst auf, wenn die Batterien leer sind. So
einfach geht es also nicht! Aber das Prinzip kann beibehalten werden,
wenn Meldung und Steuerung auf zwei Leitungen getrennt geführt
werden und dazwischen eine einfache Ablaufsteuerung vorgesehen wird
(siehe weiter untern).
Erweiterungs-"Umbau" der Rauchmelder
Jeder Rauchmelder wird wie im Foto zu sehen mit 3 Dioden und einem
Widerstand erweitert:
Zwei Dioden liegen mit ihrer Anode an den Pins 8
bzw. 9 des ICs (Motorola MC145012P). Die Kathoden liefern gemeinsam
das Meldesignal "Rauchalarm" (gelber Draht). Zur
Ansteuerung der "Sekundär-Melder" gelangt das Steuersignal
"Test" über eine Diode mit ihrer Kathode an Pin 16 (blauer
Draht). Da Pin 16 intern nur mit einer internen Stromquelle
unbekannter Größe nach Masse gezogen wird, wird zwischen Pin 16 und
Masse (Pin 14) vorsichtshalber ein flacher SMD-Widerstand von 100k
bis 120k eingefügt. Im Bild sind es zwei SMD-Widerstände von 100k
(1003, schwarz) und 10k (1002, blau) in Serie. Die positive
Betriebsspannung gelangt über den grünen Draht und Masse (-) über
den orangen Draht an die Platine.
Zur Verbindung mit der Zentralsteuerung liegen die
4 Signale an einer 5-poligen Buchse mit einer Codierung im
Anschluss 2. Dadurch ist einem Fehlanschluss vorgebeugt. Die
Signalbelegung ist:
1 = Masse (Minus), 2 = Codierung,
3 = Meldung "Rauchalarm", 4 = Betriebsspannung
(Plus), 5 = Steuereingang "Test".
Je
nachdem ob man den Rauchmelder konventionell (d. h. ohne
angeschlossenes Netz mit eigener Batterie) oder vernetzt mit anderen
einsetzen will, kann der nicht benutzte Anschluss im Gehäuse
"versteckt" werden. Bei Netzbetrieb muss statt der Batterie
ein "Dummy" in Form einer kleinen 38 x 20 mm
großen und 3,2 mm dicken Hartfaserplatte in den Schlitz des
Batteriehalters (oberhalb der Beschriftung "WARNUNG BATTERIE
ENTFERNT") eingesetzt werden, da sich der Rauchmelder wegen
einer Sperrklinke sonst nicht in der Deckenhalterung arretieren
lässt.
Ablaufsteuerung
Die Ablaufsteuerung, die zwischen den parallel liegenden
"Alarm"-Meldungen aller Rauchmelder und den ebenfalls
parallel geschalteten Steuereingängen "Test" für Ordnung
sorgen soll, muss folgende Aufgaben erfüllen:
Sie muss 5 bis 6 Sekunden
abwarten, ob es sich um einen richtigen Alarm handelt oder nur um
einen kurzen Test an einem der Geräte, der typisch nach etwa
3 Sekunden beendet ist. Dann darf noch nichts passieren. Auch
die kurzen Piepser, die bei schwach werdender Batterie erzeugt
werden, dürfen nicht weiter gegeben werden.
Sobald ein Ernstfall vorliegt,
muss ein Sammelalarm an alle Melder weitergeleitet werden.
Wenn der Sammelalarm alle
Sekundärmelder ausreichend lange angesteuert hat, muss er zumindest
so lange unterbrochen werden, bis alle "Sekundärmelder"
verstummt sind und sie ihrerseits sicher nicht mehr zum Sammelalarm
beitragen.
Nun kann die Steuerung wieder "scharf" werden und
prüfen, ob immer noch eine Alarmmeldung vorliegt. Ist das nicht der
Fall, ist das System wieder im Ruhezustand. Andernfalls wird ein
neuer Ablauf gestartet (siehe Punkt 1.)
Das Alarmsignal
Der Alarm besteht aus einer ununterbrochenen Folge von langsam
gemorsten Zeichen "o". Drei Tönen von rund 1 Sekunde
Dauer folgt eine Pause von 1 Sekunde. Diese Sequenz wiederholt
sich so lange, bis die Ursache des Alarms beseitigt ist. Am
Sekundär-Melder erscheinen nur 2 Serien von 3 Tönen worauf eine
Pause von rund 5 Serien eintritt. Erst dann kommt die nächste
Meldeserie. Die Unterscheidung Primär- oder Sekundäralarm ist also
einfach. Und wach wird man von 2 Serien sicher auch noch rechtzeitig.
In der Pause zwischen den Serien hat man darüber hinaus genug Zeit
zu horchen, aus welchem Raum der Alarm ursächlich kommt, um dann
dort nach dem Rechten zu sehen.
Die Schaltung der Ablaufsteuerung
Die im vorigen Abschnitt beschriebenen Funktionen können mit
einem einzigen CMOS-IC vom Typ CD4093B (4-fach NAND mit
Schmitt-Trigger-Eingängen) realisiert werden. Die Ausführung mit
Schmitt-Trigger-Eingängen wurde gewählt, weil die Abläufe recht
langsam sind und Teile der Schaltung dadurch empfindlich auf kleine
Störspannungen reagieren könnten. Außerdem neigen langsam
schaltende Digital-Ausgänge unter Umständen zum Schwingen. Beide
Effekte werden bei Schmitt-Trigger-Eingängen sicher vermieden.
Die
am Pin 1/2 anliegende Alarmmeldung wird mit C1 gepuffert. Mit dem
Taster T1 lässt sich der Alarm auch zum Testen aktivieren. Der
Kondensator C1 unterdrückt zusammen mit R1 auch eventuelle
kapazitive Brummeinstreuungen. Die Zeitkonstante C1*R2 (1,5 sek.)
verhindert, dass der Pegel an IC1 Pin1/2 während der Pausen zwischen
den 3-er-Serien unter die halbe Betriebsspannung fällt. Darüber
hinaus bewirkt R2, dass der Pegel nach Wegfall des Alarms wieder auf
low geht. D1 und D2 sind so genannte "Angstdioden". Sie
sollen das IC vor eventuellen extremen externen Eingangsspannungen
schützen. Auch wenn diese vermutlich nie auftreten: bei externen
Anschlüssen kann man das nie wissen!
Mit
C2*R3 wird die Meldung von IC1A Pin 3 um etwa 5 Sekunden
verzögert, bevor sie an IC1B Pin 5/6 wirksam werden kann und vom
Ausgang IC1B Pin 4 als High-Pegel auf die Steuerleitung "Test"
zur Alarmauslösung an den Sekundärmeldern gegeben wird.
Sobald
der Ausgang Pin 4 auf high geht, wird C3 über R5 langsam aufgeladen
und der Pegel an Pin 12/13 steigt an. Wenn nach etwa 7 Sekunden
die halbe Betriebsspannung überschritten ist, geht der Ausgang von
IC1D Pin 11 auf Low und IC1C Pin 10 auf High. Dabei würde der Pegel
an Pin 12/13 über die positive Betriebsspannung ansteigen, was von
D7 in Verbindung mit R7 verhindert wird. C3 hat nun an beiden Seiten
etwa +9 Volt. Über R8 und D9 wird C2 sehr schnell aufgeladen
und nimmt dem Eingang von IC1B das Steuersignal weg, so dass das
Ausgangssignal der Schaltung an St1 Pin 5 wieder auf low geht
und die Sekundär-Melder nach kurzer Zeit verstummen.
Nun wird
C3 über R6 in Richtung Masse umgeladen, was etwa 13 Sekunden
dauert. Während dieser Zeit ist die Weitergabe von Meldungen
unterbunden, da C2 niederohmig auf positivem Potential festgehalten
wird. Sobald der Pegel an Pin 12/13 unter die halbe Betriebsspannung
sinkt, wechseln IC1D und IC1C wieder die Pegel und Pin 10 geht auf
low. Dieses mal verhindert D8, dass die Spannung an Pin 12/13 zu weit
unter das Low-Potential absinkt.
Falls die Alarmmeldung danach
noch anliegt, kann C2 über R3 wieder entladen werden und ein
weiterer Durchlauf startet. Wenn nicht, ist die Schaltung wieder im
Ruhezustand.
Die Dioden D3 und D4 sind (wie am Eingang) nur
vorsorglich eingebaut, um eventuelle externe Spannungsspitzen von
IC1B Pin4 fern zu halten.
Zentrale Stromversorgung mit Akku-Pufferung
Zur Stromversorgung bietet sich der vorhandene
12-Volt-Klingeltrafo an, aus dem problemlos die erforderlichen
10 Volt Gleichspannung gewonnen werden können. Die genaue
Spannungseinstellung erfolgt mit R10. Über D11 und D12 liefert
entweder die externe Spannungsquelle oder die Batterie den Strom für
die Rauchmelder und die Zentrale. Der Akku wird über D10 und R12
gepuffert und zwar so, dass er immer voll ist aber auch nicht
überladen wird. Dazu muss die externe Gleichspannung sorgfältig
eingestellt werden:
Akku mit einem richtigen Ladegerät
nach Vorschrift vollständig aufladen und anschließend 24 Stunden
ruhen lassen.
Spannung des Akkus messen (z. B.
9,6 Volt) und mit R10 die externe Spannung um etwa 0,5 Volt
höher einstellen im Beispiel 10,1 Volt).
Akku in die Schaltung einsetzen
und den Spannungsabfall an R12 messen.
Mit R10 die externe Spannung
soweit erhöhen oder erniedrigen, bis der Strom durch R12 bei 0,5 mA
liegt (75 mV an 150 Ohm)
Nach ein paar Tagen prüfen, ob der Strom über 1 mA
angestiegen ist (150 mV an R12). Dann mit R10 wieder auf 0,5 mA
reduzieren. Vorgang ggf. mehrmals wiederholen. Falls sich ein
geringerer Strom als Gleichgewicht einstellt, hat man einen Akku mit
geringer Selbstentladungsrate erwischt und der Strom darf nicht
erhöht werden.
Ziel ist, dem Akku nur so viel
Ladungserhaltungsstrom zu liefern, wie er auch tatsächlich durch
Selbstentladung verbraucht. Dabei kann je nach Akkutyp auch ein
anderer Strom als 0,5 mA richtig sein. Der Wert von 0,5 mA
beruht auf der Annahme, dass der verwendete Akku von 140 mAh
innerhalb von 14 Tagen die Hälfte seiner Ladung verliert und
zwar anfänglich mehr, später weniger (e-Funktion). Für den
Anfangsentladestrom gilt dann näherungsweise:
I =
140 mAh / (14 * 24 h) = 0,42 mA
In der Literatur findet man durchaus kürzere
Standzeiten als 14 Tage für NiCd- und insbesondere auch NiMH-Akkus,
während eigene Beobachtungen eher in Richtung 1 Monat gehen. Da
erscheinen 14 Tage als brauchbarer Kompromiss zumal sich durch die
Stromabhängigkeit der Durchlassspannung der Pufferdiode D10 ein
automatisches Gleichgewicht in der Nähe der realen Verhältnisse
einstellt.
Das Layout
Die Schaltung ist auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.
Die
Erzeugung der externen 10 Volt (Stromlauf Teil 2) ist im Layout
nicht enthalten, da dieser Schaltungsteil im vorliegenden Fall von
einer anderen Anwendung schon vorhanden war. Auch der Schalter T3
(Relaismeldungen Ein/Aus) wurde nicht implementiert, da Steuerung und
Stromversorgung zusammen im Keller untergebracht sind. Der
Bus-Anschluss ist genau so belegt wie in den Rauchmeldern: Masse,
Codierung, Alarmmeldung, Plus, Alarmauslösung (Pin 1 bis 5).
Der
externe "Notschalter" T2 (rechts unten), mit dem alle
Rauchmelder stromlos gemacht werden können, schaltet in Stellung
"Aus" die rote Blink-LED ein, damit der Betreiber erinnert
wird, die Anlage nach Fehlerbehebung wieder in Berieb zu nehmen. Er
ist auf dem Layout durch eine Steckbrücke realisiert. Mit dem
Reserve-Bügelstecker (im Bild rechts unten) kann man die Schaltung
ohne externen Notschalter in Betrieb nehmen oder auch die LED bei
einem Fehlerfall aktivieren. Der Widerstand R13 stellt eine Grundlast
für die Dioden D11 bzw. D12 dar und verhindert, dass die
Spannungsschwankungen bei Laständerung zu groß werden. Bei
abgesetzter Ablaufsteuerung könnte man ihn dort einbauen und mit dem
Strom eine grüne Low-Current LED betreiben.
Das Bus-System
An dem Netz aus 4-adrigem Telefonkabel hängen gleichberechtigt
alle Rauchmelder (mit allen 4
Drähten)
die Ablaufsteuerung ggf. mit
Schalter "Relaismeldungen Aus/Ein" (alle 4 Drähte)
die Stromversorgung mit 9-Volt-Akku und Ladungserhaltung
sowie dem "Notschalter" (nur Plus und Minus)
Vor- und Nachteile
Die Vorteile des Systems liegen auf der Hand
Verwendung preiswerter Rauchmelder
Die Melder bleiben auch nach Umbau
als Einzelsystem voll funktionsfähig
Verkabelung über handelsübliches
4-adriges (ev. sogar geschirmtes) Telefonkabel
beliebige Verschaltung der Melder
(Baum- und/oder Kettenstruktur, auch gemischt)
es können beliebig Melder
entfernt oder hinzugefügt werden
Anordnung der Ablaufsteuerung an
beliebiger Stelle im Netzwerk (z. B. Eltern-Schlafzimmer)
keine Batteriekosten bei zentraler
Stromversorgung mit Pufferakku (fast wartungsfrei)
Elektronik wird bei einem Test von
mindestens 6 Sekunden automatisch mit getestet
geringer Stromverbrauch der
Zentrale (nur bei Batteriebetrieb von Interesse)
Auch bei Ausfall der Ablaufsteuerung wird im Rauchbereich ein
Alarm ausgelöst (aber nicht weitergegeben)
Nachteilig fällt nur ins Gewicht, dass es bei Stromausfall und
defekter Batterie (Akku) im Ernstfall gar keinen Alarm gibt. Dagegen
kann man sich aber wappnen, wenn man den wöchentlichen (oder
monatlichen) Test grundsätzlich bei abgeschalteter Klingelanlage
(also auf Batteriebetrieb) vornimmt. Die Batteriespannung sollte
dabei nicht unter 8 Volt sinken (gelegentlich prüfen!).
Wenn
die Klingelanlage einen eigenen Sicherungsautomaten hat, kann man ihn
sehr einfach zum Umschalten auf Batteriebetrieb verwenden ohne dass
sonstige Verbraucher beeinträchtigt werden. Es sei denn, es versucht
genau in dieser Minute jemand zu klingeln, wird nicht gehört,
bemerkt den Alarm und informiert die Feuerwehr! Dann sollte man die
12 Volt wohl doch nicht am Eingang des Klingeltrafos sondern am
Ausgang unterbrechen.
Disclaimer
Alle Angaben erfolgten nach bestem Wissen. Es wird keine Gewähr
für direkte der indirekte Schäden gleich welcher Art übernommen.
Wer meine Ideen nachbaut macht dies ausschließlich in eigener
Verantwortung. Auf den Verlust des Garantieanspruches durch die
Modifikation weise ich hin.
Ich wünsche allen
Nachbauern sowohl viel Erfolg (vy 55) aber auch dass der Ernstfall
bei Euch nie eintreten möge!
Hartwig Harm, DH2MIC,
DOK C01 - Vaterstetten -
Anregungen und Kommentare
bitte an dh2mic@darc.de