Текст книги "Прикладная аквариумистика"

4.4. Включающий и выключающий таймер для компрессора аквариума

Несмотря на то что, казалось бы, ничего вечного нет на свете – все течет, все изменяется, – электронная схема, описанная ниже, близка по принципу работы к автономности колебаний. Принцип работы таймера – узла задержки времени общеизвестен. По истечении временного интервала исполнительное устройство таймера включает либо выключает нагрузку.

В аквариумистике важно применять устройство, автоматически включающее компрессор для нагнетания воздуха на новый отсчет времени без вмешательства человека. Одним из вариантов решения становится соединение во взаимосвязанной цепи двух идентичных таймеров так, чтобы один управлял работой другого и наоборот. На рисунке 4.7 показана электрическая схема простого устройства, включающего и выключающего нагрузку в автономном режиме замкнутого цикла, практически без вмешательства человека. Конечно, это выполняется при обеспечении постоянного стабилизированного питания в интервале 10–15 В.

Рис. 4.7. Электрическая схема автоматического таймера управления компрессором в аквариуме

На двух ждущих мультивибраторах (автогенераторах) построены узлы задержки времени, причем один узел прямо зависит от другого. Оксидные конденсаторы С1 и С 2 совместно с соответствующим резисторами R1 и R2 являются времязадающими цепями. При указанных на схеме значениях этих элементов задержка выключения и включения нагрузки составляет 22 мин. Это время корректируют в широких пределах изменением емкости конденсаторов С1 и С2 (электрические узлы таймеров идентичны) и сопротивлением резисторов RI, R2. Практикой установлено, что сопротивления резисторов нецелесообразно увеличивать более 2 МОм, а емкость конденсаторов более 3300 мкФ – из-за собственных токов утечки оксидных конденсаторов такой таймер работает нестабильно. Для запуска работы устройства достаточно удерживать нажатой в течении 2–3 сек кнопку SA1 (ее применяют любого типа). После размыкания контактов SA1 оксидный конденсатор С1 заряжается от высокого уровня напряжения, установившегося на выходе элемента DD1.2.

В первый момент конденсаторы разряжены, на входе элемента DD1.1 присутствует высокий уровень напряжения до тех пор, пока не зарядится оксидный конденсатор С1. В то же время на выходе DD1.1 – низкий уровень, на входе DD1.2 и на выходе инвертора DD1.3 также присутствуют низкие уровни. Из-за этого транзистор VT1 заперт (имеет очень большое сопротивление перехода сток-исток) и нагрузка обесточена. Постоянный резистор R4 включен в схему параллельно устройству нагрузки, и если последняя отключена, этот резистор является ее эквивалентом. Такое решение позволило защитить полевой транзистор при положительном управляющем сигнале на затворе. Параллельно нагрузке можно включить светодиод-индикатор, сигнализирующий о состоянии таймеров.

По мере заряда оксидного конденсатора С1 уровень напряжения на выходе элемента DD1.1 меняется с низкого на высокий, и начинается процесс заряда оксидного конденсатора С2.

Одновременно на входе элемента DD1.2 и на выходе элемента DD1.3 устанавливаются высокие уровни напряжения. Через ограничительный резистор R3 управляющее напряжение поступает на токовый ключ на транзисторе VT1, он открывается и через нагрузку идет ток. В этот момент нагреватель излучает тепло.

По мере заряда оксидного конденсатора С2 уровни напряжения на входе элемента DD1.2 и на выходе DD1.3 сменяются на низкие, а на выходе DD1.2 устанавливается высокий уровень, и нагрузка обесточивается. Высокий уровень на выводе 4 DD1.2 через диодную развязку питает оксидный конденсатор С1, который начинает заряжаться, и цикл повторяется сначала.

Налаживание узла касается установки времени задержки каждого из таймеров подбором сопротивлений резисторов R1 и R2. Начинают налаживание с малых сопротивлений – так легче контролировать работу всего устройства.

Кнопка SA1 – любая подходящая, например, П1М9-1Т. Оксидные конденсаторы С1 и С2 применяют с насколько возможно малым током утечки, например К53-18, К53-4, К52-18, ЭТО, или в крайнем случае – К50-29, К50-35. Постоянные резисторы типа MЛT-0,25, MF-25 или другие подходящие. Транзистор VT1 выполняет роль усилителя тока.

Выходной ток одного элемента микросхемы К561ТЛ1 (в зависимости от напряжения источника питания 5—15 В) пропорционально изменяется от 1,5 до 7 мА. Это не достаточно для обеспечения нормального питания даже обычного светодиода, тем более значительной нагрузки. Как один из вариантов усиления тока в нагрузке еще два-три свободных элемента микросхемы К561ТЛ1 соединяют параллельно элементу DD1.3 – теперь ток нагрузки может достигать 12–15 мА. Однако и такой ток для большинства узлов нагрузки недопустимо мал. Например, многие слаботочные электромеханические реле не смогут работать с таким узлом. Для этого в качестве усилительного элемента применяют транзисторы соответствующей мощности. Причем, если нужен большой коэффициент усиления по току (более 1000), применяют пару транзисторов одной проводимости включенных по схеме Дарлингтона (составной транзистор). Как правило, коэффициент усиления по току пары транзисторов в схеме Дарлингтона равен произведению коэффициента усиления h_21э их обоих.

Для питания мощной нагрузки с током до 3—10 А в оконечном узле применяют полевые транзисторы средней и большой мощности (как показано на рисунке 4.7). Вместо КП922А1 применяют КП540А, КП922Б1, КП743А – КП743В. Из зарубежных: IRF540, BUZ11, IRF511, IRF640, IRF720. Для питания нагрузки малой и средней мощности (с током до 1 А) применяют КП501, КП7138, КП707, КП7131, КП504 с любым буквенным индексом. Если требуется очень большой ток в нагрузке, в качестве VT1 без изменения схемы применяют IRG4PC50F с мощностью до 200 Вт или аналогичный полевой транзистор SMW14N50F с током до 40 А.

При необходимости можно использовать обогреватели и другую активную нагрузку с питанием от осветительной сети 220 В. В этом случае устройство дополняют соответствующим узлом (схема на рисунке 4.8) и соблюдают предосторожности в обращении – так как некоторые элементы будут находиться под опасным напряжением.

Вход управления оптосимистора VU1 подключают непосредственно к выходу элементов DD1.3, DD1.4, а полевой транзистор VT1 и ограничительный резистор R3 из схемы исключают. При мощности в нагрузке, коммутируемой оптосимистором VU1 более 100 Вт, его устанавливают на радиатор с площадью охлаждения не менее 300 см².

Рис. 4.8. Электрическая схема для подключения компрессора в цепи 220 В

Отрицательным качеством представленного устройства можно считать отклонения в пределах до 20 % в стабильности выдержек времени с каждым новым включением, что обусловлено токами утечки оксидных конденсаторов, температурным фоном вокруг них и неполнотой разряда каждого в пределах одного цикла. Однако такой недостаток не оказывает существенного влияния на практическое применение устройства. Ведь его назначение – минимизировать участие и внимание человека, то есть автоматизировать работу электроники. С этой задачи устройство эффективно справляется. Спектр применения его широк, зависит от характера и назначения устройства нагрузки и не ограничивается рассмотренным вариантом.

4.5. Сигнализатор уменьшения (испарения) воды в аквариуме

Вода в домашнем аквариуме постоянно испаряется. Даже если не учитывать ее естественную убыль, происходящую под воздействием окружающего аквариум тепла (летом испарение воды идет быстрее, чем зимой), очевидно, что необходим долив раз в неделю 3–5 литров воды на аквариум объемом 100 л. Казалось бы, что может быть проще?

Однако доливать воду также надо в разумных пределах, и при доливе оставлять свободное место – «воздушную подушку» между крышкой аквариума и нижней кромкой акватории. Это свободное пространство необходимо для рыб.

Чтобы не «перелить» воду во время долива за невидимую норму, разработано специальное устройство на популярной микросхеме K561TЛ1. При переливе воды включается звуковая сигнализация.

Микросхема K561TЛ1 (зарубежный аналог CD4093B) – одна из самых популярных цифровых микросхем серии К561. Она содержит четыре элемента 2И-НЕ с передаточной характеристикой триггера Шмитта (гистерезисом). Ниже рассказано о трех вариантах ее полезного применения в радиолюбительских конструкциях. Каждая из этих конструкций найдет применение в быту радиолюбителя и способна подать творческий импульс для дополнения приведенных схем или увлечь на другие эксперименты с микросхемой. Отличительная особенность всех трех схем в их максимальной простоте без потери функциональности. Все три схемы собраны по принципу генераторов импульсов, имеют на выходе звуковые сигнализаторы с капсюлем FMQ2715, а их отличие друг от друга – в практическом назначении.

Полезные свойства K561TЛ1 (малый ток потребления, выходной каскад, позволяющий включать нагрузку с выходным током до 50 мА, и др.) подробно описаны в литературе, в том числе в справочных пособиях по цифровым микросхемам серии К561).

На рисунке 4.9 представлена электрическая схема сигнализатора влажности от перелива воды сверх нормы в аквариуме.

Рис. 4.9. Электрическая схема сигнализатора влажности от «залива» сверху

Особенность узла в его высокой чувствительности благодаря свойствам микросхемы K561TЛ1 и применению в качестве датчика подстроечного конденсатора С1. Как видно из схемы, на ней не присутствует ни одного постоянного резистора, которые, казалось бы, необходимы в подобных схемах совместно с конденсаторами как условия возникновения колебаний. Такое замечание было бы справедливо, если бы использовалась иная микросхема, a K561TЛ1 имеет передаточную характеристику триггеров Шмитта, и для возникновения колебаний в классической схеме построения генератора на ее базе не нужна времязадающая RC-цепь.

Конденсатор С1 (марки 1KЛBM-1 с воздушным диэлектриком) выбран в качестве датчика влажности по своим оптимальным конструктивным особенностям – обычно сопротивление между его пластинами достигает более 10 ГГОм, а уже при небольшой влажности это сопротивление уменьшается. По сути, подстроенный конденсатор С1 представляет собой высокоомный резистор с изменяющимся в зависимости от внешних условий абсорбированной атмосферной влажности сопротивлением. Этот факт наряду с высоким входным сопротивлением элемента микросхемы K561TЛ1 позволяет использовать узел как устройство с очень высокой чувствительностью. При сухом климате в районе установки датчика-конденсатора сопротивление С1 велико, и на выходе элемента DD1.2 присутствует низкий уровень напряжения. Капсюль НА1 не активен.

При слабой влажности сопротивление датчика уменьшается, возникает генерация импульсов – капсюль издает звуковые сигналы, похожие на щелчки. Такая тенденция сохраняется при увеличении атмосферной влажности – частота щелчков увеличивается. Когда сопротивление датчика С1 уменьшится до значения примерно 0,1–0,3 ГГОм, на выводе 4 DD1.2 будет присутствовать сигнал высокого уровня. Капсюль НА1 издаст звук частотой около 1 кГц (обусловлено особенностями капсюля). При увеличении сопротивления датчика С1 произойдет обратный процесс, и капсюль-излучатель в конце концов снова затихнет.

Конденсатор С2 любой трубчатый или, например, группы ТКЕ М47. Он исключает в данной схеме ложные срабатывания. Вместо капсюля-излучателя НА1 допустимо применить любой аналогичный с встроенным генератором 34, с током до 50 мА или марки KPI-4332-12 (или аналогичный) – тогда звук будет прерывистым. Оксидный конденсатор сглаживает пульсации напряжения и способствует более мягкому звуковому эффекту. Источник питания любой трансформаторный стабилизированный с напряжением питания 5—15 В.

Вместо датчика Cl можно использовать и другие оригинальные датчики, принцип работы которых – изменение сопротивления, а исходное состояние – высокое сопротивление (не менее 1 МОм).

Так, например, можно применять самодельный постоянный резистор ВС-1 (ВС-0,5, ВС-2) с высоким сопротивлением (не менее 1 МОм), состоящий из подтертого мелкой наждачной бумагой графитового слоя. При увеличении влажности сопротивление этого резистора уменьшится.

Самодельный резистор аналогичного принципа изменения сопротивления в зависимости от влажности можно изготовить в домашних условиях. Для этого на обыкновенную спичку с обоих концов наматывают по 3 витка трансформаторного лакированного провода ПЭЛ-1 диаметром 0,5^—0,8 мм (концы-контакты залуживают). При увеличении влажности в районе монтажа такого резистора его сопротивление также уменьшится на несколько десятков и сотен кОм.

Вместо датчика С1 (как вариант) можно использовать и полностью разомкнутые контакты, расположенные друг от друга на расстоянии 1 – 10 мм. При возникновении открытого огня пламя замыкает электрическую цепь, вследствие чего происходит срабатывание триггеров Шмита – включается звуковая (или иная) сигнализация. Вариантов подходящих и простых датчиков для данной схемы очень много.

Особенности эксплуатации. Элементы из-за своей малочисленности монтируются на экспериментальной макетной плате, источник питания и датчик С1 подключаются через два разных разъема РШ-2Н (чтобы уменьшить влияние источника питания на чувствительность узла). Компактный корпус устройства из пластмассы помещают внутри верхней крышки аквариума. Датчик С1 выносят на проводах марки МГТФ-0,8 (длиной не более 10–15 см) и закрепляют непосредственно на стенке аквариума у его верхней кромки. Экранировать провода не нужно. Инерционность срабатывания практически не заметна. Провода к источнику питания могут иметь длину более 2 м.

Для принудительного уменьшения чувствительности надо увеличить емкость конденсатора С2.

Применение может быть не ограничено аквариумом, а дополнено, например, вариантом сигнализатора влажности в погребе или кладовке, в местах хранения грибов, сухофруктов или скоропортящихся продуктов и в ряде аналогичных случаев.

4.6. Автоматическая оригинальная подсветка аквариума

Среди множества электронных устройств особое место занимают простые акустические сигнализаторы-датчики, которые благодаря их универсальности можно использовать в быту практически неограниченно – от систем охраны до автоматических включателей или составных частей более сложных устройств, активируемых шумовым воздействием. Как частный случай акустические датчики можно использовать в фокусах, например, на новогодней елке, где от слов «Елочка, гори» автоматически включатся световые эффекты. Другой практический пример – включение подсветки аквариума (например, во время прикорма) от звукового воздействия (шума) на чувствительный акустический датчик. Особенность устройства в большой чувствительности, которая обусловлена сочетанием в схеме пьезоэлемента ВМ1 и транзисторов с высокими характеристиками усиления тока.

Электронный узел, схема которого показана на рисунке 4.10, представляет собой усилитель ЗЧ на транзисторах с большим статическим коэффициентом передачи тока. Собственно датчиком служит пьезокапсюль ВМ1. Он преобразует звуковой сигнал в электрические колебания. Исполнительное устройство управляет лампой освещения аквариума.

Рис. 4.10. Электрическая схема чувствительного акустического датчика

Усилитель на транзисторах VT1, VT2 построен по принципу усиления постоянного тока. Резкий шум, тряска, хлопок или микровоздействие по капсюлю ВМ1 немедленно отразится изменением напряжения в базе транзистора VT2 на 1–1,2 В. Чувствительность узла такова, что устройство реагирует на шум резкого характера (например, хлопок) на расстоянии 4–5 м.

Второй каскад на транзисторе VT2 усиливает сигнал до уровня открывания транзистора VT3. Постоянные резисторы R3 и R4 ограничивают соответственно коллекторный ток VT2 и ток базы VT3, предохраняя эти транзисторы от выхода из строя. Конденсатор С1 обеспечивает положительную обратную связь между входом и выходом усилителя. Конденсатор С2 сглаживает пульсации напряжения источника питания.

При воздействии звукового сигнала на капсюль ВМ1 усиленный электрический сигнал поступает на усилитель тока (транзистор VT3) и открывает его. Через обмотку реле К1 протекает ток, вследствие чего оно замыкает группу контактов К 1.1 в цепи нагрузки. Устройство нагрузки включается на 1^—2 с.

Для того чтобы продлить время включения нагрузки, в устройство вводят оксидный конденсатор СЗ (показан на рисунке пунктиром). В моменты акустического шума конденсатор СЗ заряжается. В последующее затем время спокойного акустического фона – отдает энергию. Через ограничивающий резистор R4 ток течет в базу ключевого транзистора VT4 и держит его открытым даже при отсутствии воздействия звуковых сигналов на датчик ВМ1, пока разница потенциалов на обкладках СЗ не станет меньшей порога открывания транзистора VT3. После разряда конденсатора через базу VT3 и резистор R3 транзистор VT3 закроется, и реле обесточится.

Как показала практика, увеличение емкости конденсатора СЗ свыше 10 мкФ неэффективно, так как теряется стабильность работы всего узла– раз от раза колеблется точность задержки выключения реле, заметно теряется общая чувствительность к акустическим воздействиям (требуется время на зарядку СЗ).

При новом звуковом воздействии на датчик процесс повторится сначала.

Параллельно реле К1 (см. рис. 4.10) включена индикаторная цепь, состоящая из светодиода HL1 и ограничительного резистора R5. Эта цепь выполняет двоякую роль – по состоянию индикаторного светодиода удобно следить за функцией реле (так как никаких других индикаторов питания в схеме нет), а кроме того, данная электрическая цепь препятствует броскам обратного тока через реле К1. При необходимости цепь R5HL1 из схемы исключают.

Устройство может управлять любой соответствующей нагрузкой, электрические и мощностные характеристики которой зависят от типа применяемого электромагнитного реле К1. Смонтированное без ошибок с исправными деталями устройство надежно работает в круглосуточном режиме.

О деталях и монтаже. Элементы устройства компактно крепятся на макетной плате, их выводы соединяются перемычками из провода МГТФ-0,6. Устройство в налаживании не нуждается. Подключения к источнику питания и к коммутируемым цепям устройств периферии удобно выполнить с помощью электромонтажного клеммника или любого подходящего разъема.

Устройство стабильно работает при напряжении питания от 4 до 10 В. Источник питания должен быть стабилизированным. Естественно, что при напряжении питания ниже 7,5 В установленное реле Kl (TRD-9VDC-FB-CL) не будет срабатывать и его придется заменить на другой соответствующий напряжению питания узла тип слаботочного электромагнитного реле (например, TRU-5VDC-SB-SL), или применить электронное реле, например из серий К449 (КР449).

При эксплуатации устройства замечено, что чувствительность узла (при прочих равных условиях) увеличивается с уменьшением напряжения питания. А при увеличении напряжения питания свыше 11 В устройство переходит в режим самовозбуждения, включая реле с равными промежутками времени.

Ток. потребляемый в режиме ожидания, 3–5 мА. При срабатывании реле К1 ток потребления увеличивается до 40 мА. Все постоянные резисторы типа MЛT-0,25. Конденсатор С1 типа КМ-6 группы ТКЕ Н70 или аналогичный. Оксидные конденсаторы – К50-20.

Времязадающий конденсатор СЗ (если есть необходимость его установки в схему) надо выбрать с малым током утечки (К53-4, К52-18). Пьезокапсюль ВМ1 (ЗП-22) можно заменить на ЗП-1, ЗП-18, ЗП-З или другой аналогичный. Для этой цели хорошо подходит пьезокапсюль излучатель из электронных часов в корпусе типа «пейджер».

Кремниевые транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми из серии КТ3107, КТ502, С557. Заменять их на германиевые нежелательно из-за большого тока покоя последних. Транзистор VT3 заменяют на КТ815А – КТ815Г. Реле можно заменить на RM85-2011-35-1012, BV2091 SRUH-SH-112DM, TRU-9VDC-SB-SL и аналогичные. Все указанные типы реле рассчитаны на работу в цепи коммутации нагрузки до 250 В и током до 3 А. В качестве реле можно применить и отечественные элементы, например РЭС10, РЭС15 и аналогичные, однако они рассчитаны на работу в цепях коммутации не более 150 В, а кроме того, отечественные реле по сравнению с зарубежными обходятся дороже на один-два порядка. На рисунке 4.11. показана макетная плата устройства.

Устройство эффективно и как отдельный электронный узел – чувствительный датчик. Управляющее напряжение для других сопряженных устройств снимают с точки «А». В этом случае усилитель тока на транзисторе VT3 и реле исключают.

Рис. 4.11. Плата готового устройства