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:
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

Schaltungsauszug aus der Elektronik des Rauchmelders mit zusätzlichen Bauteilen 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:
 
Rückseite der Platine im Rauchmelder mit zusätzlichen Bauteilen
 
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.
 
Rückseite des umgebauten Rauchmelders mit Anschlussstecker
 
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:
  1. 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.
  2. Sobald ein Ernstfall vorliegt, muss ein Sammelalarm an alle Melder weitergeleitet werden.
  3. 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.
  4. 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. Der Kondensator unterdrückt dabei 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!
Rückseite des umgebauten Rauchmelders mit Anschlussstecker 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.
Das passiert übrigens auch beim ersten Anlegen der Betriebsspannung. Wenn man das vermeinden will, kann man C2 in der gestrichelten Position gegen die positive Betriebsspannung einbauen.
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:
  1. Akku mit einem richtigen Ladegerät nach Vorschrift vollständig aufladen und anschließend 24 Stunden ruhen lassen.
  2. 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).
  3. Akku in die Schaltung einsetzen und den Spannungsabfall an R12 messen.
  4. Mit R10 die externe Spannung soweit erhöhen oder erniedrigen, bis der Strom durch R12 bei 0,5 mA liegt (75 mV an 150 Ohm)
  5. 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).
 
Layout der Ablaufsteuerung mit Batteriepufferung
 
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. 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.
 
Ansicht der realisierten Ablaufsteuerung auf einer Lochrasterplatine

Das Bus-System

An dem Netz aus 4-adrigem Telefonkabel hängen gleichberechtigt

Vor- und Nachteile

Die Vorteile des Systems liegen auf der Hand 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
 

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