Прикладная аквариумистика Мюллер Андрей
Плавающие или торчащие над водой листья аквариумных растений обычно имеют сильную транспирацию, хотя и расположены в слое воздуха, который непосредственно граничит с водой и имеет повышенную влажность. Устьица широко открыты и закрываются полностью только в ночное время.
3.4. Способы питания водорослей
Несмотря на удивительное многообразие жизненных форм растений, большинство из них объединяет уникальная способность, которая определяется способом их питания.
В отличие от животных организмов и многих бактерий, использующих для своей жизнедеятельности готовые органические соединения, у растений выработалась в ходе эволюции способность использовать для питания такие полностью окислённые вещества, как углекислота и вода, и создавать на их основе органические соединения. Этот процесс в природе осуществляется за счет энергии солнечного света и сопровождается выделением кислорода. Использование световой энергии для биологических синтезов стало возможным благодаря появлению у аквариумных растений комплекса поглощающих свет пигментов, важнейшим из которых является хлорофилл.
Водоросли, уже простейшие из них – сине-зеленые, являются первыми организмами, у которых появилась в процессе эволюции способность осуществлять фотосинтез с использованием воды в качестве источника водорода и выделением свободного кислорода, то есть процесс, свойственный всем другим водорослям, а за ним и высшим растениям.
Второй особенностью питания водорослей и других растений, не менее важной, хотя и не такой специфичной, как фотосинтез, является их способность усваивать азот, серу, фосфор, калий и другие минеральные элементы в виде ионов минеральных солей и использовать их для синтеза таких важнейших компонентов живой клетки, как аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, макроэргические соединения, вещества вторичного обмена.
3.5. Клетка водоросли
Клетка – основная структурная единица тела водорослей, представленных либо одноклеточными, либо многоклеточными формами.
Особенность одноклеточных форм определяется тем, что организмы состоят всего из одной клетки, поэтому в ее строении и физиологии сочетаются клеточные и организменные черты.
Мелкая, не видимая простым глазом одноклеточная водоросль выполняет роль своеобразной фабрики, которая добывает сырье, его перерабатывает и производит такие ценные соединения, как белки, углеводы и жиры. Кроме того, важным продуктом ее деятельности считается кислород. Одноклеточные водоросли иногда образуют временные или постоянные скопления в виде колоний.
Многоклеточные формы возникли после того, как клетка проделала длительный и сложный путь развития в качестве самостоятельного организма.
При знакомстве с водорослями бросается в глаза чрезвычайное разнообразие как форм, так и размеров их клеток. Наибольшая пестрота картин обнаруживается у свободноживущих одноклеточных водорослей.
У водорослей, в отличие от высших растений, встречаются клетки, содержимое которых окружено лишь тонкой мембраной. Такие клетки обычно называют голыми. Они не способны сохранять свою форму и постоянно находятся в амебоидном состоянии. Подобного рода клетки встречаются как среди одноклеточных, так и многоклеточных водорослей, чаще всего на стадии гамет и зооспор.
Клетки некоторых водорослей (эвгленовых, желто-зеленых) помимо плазмалеммы окружены кожистым, эластичным слоем. Этот слой получил название пелликулы, или перипласта. Он состоит из фибриллярного вещества и имеет сложную, многослойную организацию. Клетки с такой пелликулой обычно очень изменчивы по форме. Только толстая, похожая на панцирь пелликула может прочно её зафиксировать. На поверхности пелликулы иногда возникают складки, выросты в виде зубцов или утолщения, называемые чешуйками. Эти структуры в различных сочетаниях образуют самые причудливые узоры, придавая организму неповторимый облик. Но главная их функция – повышение прочности клеточного покрова.
Клеточные оболочки водорослей весьма разнообразны как по своему строению, так и по химическому составу. Толщина оболочки варьируется не только от вида к виду, но и даже в пределах одного вида в зависимости от возраста клетки.
По времени заложения и особенностям роста различают первичные и вторичные оболочки. В активно делящихся клетках обычно образуется только первичная оболочка. Её рост идёт в двух направлениях: увеличивается поверхность и толщина.
Вторичная оболочка подвергается гидратации, становится эластичной и получает возможность растягиваться.
Внимание, важно!
Оболочки многих водорослей снабжаются разного рода выростами в виде щетинок, шипиков и чешуек. Их роль для клетки неоднозначна: в одних случаях они выполняют защитную функцию, а в других обеспечивают оптимальные условия жизни.
В любой клетке различают два тесно связанных друг с другом компонента: ядро и цитоплазму, причем от степени их развития зависит уровень организации клетки в целом. Водоросли – единственная группа растений, где представлены все известные в настоящее время типы клеточной организации: прокариотическая – у сине-зеленых водорослей, мезакариотическая – у панцирных, жгутиковых, эукариотическая – у водорослей остальных отделов. У прокариот отсутствует морфологически оформленное ядро, а его функции выполняет состоящий из микрофибрилл ДНК нуклеоид.
У большинства водорослей в клетке присутствует всего одно ядро, но известны случаи, когда их бывает два-три и больше. Клетки с несколькими десятками или сотнями ядер называют цепоидными. Примечательно, что эти водоросли возвращаются к одноядерному состоянию при образовании специализированных клеток бесполого и полового размножения.
Форма, размеры и местоположение ядра в клетке сильно варьируется у разных водорослей, а также в зависимости от фазы развития, на которой находится тот или иной организм.
Очень мелкие ядра характерны для большинства одноклеточных водорослей.
В ядре у водорослей выявлены те же самые структуры, что и в ядре других эукариотов: оболочка, ядерный сок, ядрышко и включения хромотина.
В интенсивно растущих клетках помимо перечисленных органелл можно наблюдать хорошо развитую систему пузырьков, или вакуолей.
Также у водорослей имеются хлоропласты. Они могут быть чашевидными, лентовидными, спиралевидными, пластинчатыми, звездчатыми. Как правило, в подвижных клетках у зеленых водорослей присутствует всего один хлоропласт, у водорослей из других отделов их бывает два и больше, у молодых эвиленовых – от 50 до 80, а в старых– 200–300. Хлоропласты занимают в клетке либо центральное, либо постенное положение. В строении хлоропласта помимо пластичных структур выявлены более плотные зоны, представляющие собой скопление ДНК, многочисленных рассеяных мелких частиц – рибосом, глобул различного размера, формы и состава, которые образуются в ходе фотосинтеза.
Существуют подвижные и неподвижные клетки. Перемещение в жидкой среде осуществляется при участии особых структур, представляющих собой либо временные, либо постоянные выросты клетки.
3.6. Размножение и циклы развития водорослей
Воспроизведение себе подобных у водорослей совершается посредством вегетативного, бесполого и полового размножения.
Вегетативное размножение одноклеточных водорослей заключается в делении особей надвое. У многоклеточных водорослей оно происходит несколькими способами. Например, делению нитей сине-зеленых водорослей на части нередко предшествует отмирание отдельных клеток.
Сине-зеленые водоросли образуют одноклеточные и многоклеточные клубеньки, дающие развитие новым растениям. У ряда нитчатых водорослей отдельные клетки округляются, накапливают большое количество запасных питательных веществ и пигментов, одновременно происходит утолщение их оболочки.
Вегетативное размножение, в сущности, представляет собой форму бесполого размножения, осуществляемого вегетативными частями.
Бесполое настоящее размножение сопровождается, во-первых, выходом продуктов деления из оболочки материнской клетки, во-вторых, делением протопласта клетки на части. Бесполое размножение водорослей происходит посредством спор или зооспор.
Сине-зеленые водоросли, наиболее популярные в аквариумистике, являющиеся прокариотами, имеют два рода спор – эндоспоры и экзоспоры. Эндоспоры образуются по нескольку в клетках в результате дробления содержимого. Экзоспоры возникают как вырост на вершине клетки.
Споры и зооспоры обычно выходят в воду целой группой, окруженной слизистой оболочкой, которая вскоре раскрывается. На выходе зооспоры, находясь еще в общей оболочке, начинают активно двигаться, а после разрыва оболочки моментально расплываются в разные стороны. Подобным образом выходят и гаметы при половом размножении.
Внимание, важно!
Половое размножение заключается в слиянии двух клеток (гамет), в результате чего образуется зигота, вырастающая в новую особь. У водорослей половое размножение бывает нескольких типов. У одноклеточных жгутиковых водорослей половой процесс сводится к слиянию двух особей, этот процесс называют гологамией. Гораздо чаше половое размножение у водорослей связанно с дроблением содержимого клеток и образованием внутри их специализированных половых клеток – гамет. У всех водорослей, кроме красных, мужские гаметы имеют жгутики, а у гамет противоположного пола они имеются не всегда.
Зачатки водорослей в виде спор, гамет и зигот не совсем стихийно разносятся водой. Они обладают различного рода таксисами, определяющими направление их движения в зависимости от внешних раздражителей: света, температуры, химических веществ, содержащихся в воде.
Течения служат основным средством переноса зачатков на большие расстояния. Зооспоры сохраняют жизнеспособность в течение нескольких дней. Более длительное перемещение зачатков водорослей происходит плодоносящими слоевищами или их частями.
Для прорастания спор и зигот водорослей требуется комплекс условий, включающий определенные значения температуры, освещённости, содержания биогенных и биологически активных веществ. В противном случае они не прорастают. Зиготы некоторых водорослей сохраняют жизнеспособность в течение 3—4-х месяцев.
Водоросли являются сырьем для получения ценных органических веществ: спиртов, аммиака, лаков, органических кислот и т. п.; йода, каротина, биологически активных веществ, используются в микробиологической промышленности, космических исследованиях. Морские водоросли используют в пищевой промышленности и при изготовлении различных лекарств. Из водорослей, высушенных и перемолотых, а затем спрессованных, изготовляют корм для аквариумных рыб.
3.7. Акклиматизации растений из пресноводных водоемов
В этой главе подробно рассмотрены всевозможные виды водорослей, которые живут в пресной воде (и не только – например, бурые). В большинстве случаев водоросли, найденные или взятые из водоемов вблизи вашего места жительства, будут удовлетворительно себя чувствовать и в аквариуме. Главным критерием здесь является пресная среда обитания, температура и «застоявшаяся» вода, что к аквариумистике вполне применимо. Растение может «плохо чувствовать» себя в аквариуме скорее из-за температурного режима, поскольку является привозным из другого климата. Все местные водоросли термоустойчивы и для аквариума подходят.
Если растение приживется, по его внешнему виду можно судить об успешной акклиматизации нововведения в вашу домашнюю акваторию.
Для содержания в аквариумах прекрасно подходят такие водные растения, как кабомба, валлиснерия, марсилия, риччия, ряска, рдесты и многие другие. Не бойтесь экспериментировать.
3.8. Практические рекомендации специалистов
Все водные растения, с точки зрения любителя аквариума, можно подразделить на «желанные» и «нежеланные». К последним относятся различные водоросли, которые никто в аквариуме не заводит специально, а в ряде случаев даже мечтает от них избавиться. «Желанные» растения аквариумист заводит сознательно.
Из группы низших растений к «желанным» для домашнего декоративного аквариума относятся три вида первичноводных растений-водорослей (эгагропила, хара и нителла).
Эгагропила – «бархатный шар» (некоторые называют кладофора). Она встречается под Новгородом и Санкт-Петербургом, под Москвой. Это очень древние водоросли, некогда распространенные повсеместно. Причины уникального шарообразного формирования колоний до сих пор не исследованы. Удивительная особенность эгагропилы – вертикальные миграции при ярком освещении.
В аквариуме «бархатные шары» представляют собой красивое зрелище лишь при кристально чистой воде.
Рыбное население должно быть немногочисленно, желательно подбирать наиболее мелких рыбок (небольшие харациниды, живородящие, гуппи).
При взятии из водоемов такие комки (шары) следует вынуть и осторожно промыть в чистой теплой воде, выжимая их до тех пор, пока стекающая вода не будет совсем прозрачной, а затем поместить в чистый аквариум. Шары больше любят прохладную воду и продолжают свой рост в чистом аквариуме (воду желательно сменять раз в 6–8 дней на 1/4) с хорошей аэрацией. При замутнении воды и повышении температуры выше 22 °C «бархатный шар» очень скоро развалится на части, то есть будет потерян.
Второе важное условие для успешного содержания эгагропилы – яркое освещение. При прямом солнечном свете шары начинают интенсивно фотосинтезировать. За день они несколько раз всплывают к поверхности и снова опускаются на дно. При электрическом освещении шары редко мигрируют вертикально. Не любит эгагропила затемнение света листьями других растений. Очень страдает от обрастания другими водорослями, гибнет при «цветении» воды.
Хара и нителла для аквариумиста весьма похожи (вторая лучше живет в аквариуме). Все остальные растения аквариума – вторичноводные высшие (моховидные, папоротниковидные, цветковые, или покрытосеменные).
Из моховидных аквариумистам известны представители семейства риччии.
Род риччия насчитывает около 200 видов, из которых в аквариумах встречаются только два – всем известная риччия и малоизвестный, но очень декоративный риччиокарпус. Слоевища из риччиокарпуса несмачиваемые (в отличие от риччии), образуют на поверхности бархатно-зеленую заросль.
Два мха – фонтиналис из отечественных вод и весикулярия – тропический яванский мох – служат не только украшением аквариума, но и удобным субстратом для нереста рыб.
«Полушница» распространена в основном в озерах Карелии и Вологодской области. В аквариуме она может жить год и более в условиях, описанных для эгагропилы.
По условиям содержания в аквариуме папоротники можно разделить на простые и сложные.
К первым относят марсилии, сальвинии, цератоптерис, ко вторым – болбитис; промежуточное положение занимает микросориум. В мелкой воде все папоротники образуют надводную листву.
Марсилии развиваются под водой, но некоторые тропические виды стремятся образовать плавающие листья даже при уровне воды 50 см и более.
Сальвинии хорошо растут в условиях, описанных для риччиокарпуса. Любопытно, что у сальвинии в мутовке не два листа, как кажется на первый взгляд, а три: мохнатые корни в воде являются третьим видоизмененным листом, похожим на корни и выполняющим функции корней.
Цератоптерис одинаково хорошо развивается в воде как плавающее растение, по берегам и на периодически затопляемых территориях, является сорняком на полях. В аквариумах распространены три формы (или вида): с малоиссеченными листьями (корнута), с сильноиссеченными листьями (таликтроидес) и плавающая (птеридоидес). Первые две могут развиваться на глубине и на поверхности воды, третья не выносит погружения совсем.
Болбитис имеет любопытную особенность. Для хорошего развития отдельного растения его нельзя около года делить. Тогда стебли набирают силу, ветвятся, стелются по дну, а листья поднимаются на 40—60 см. У сильных растений основной стелющийся стебель достигает толщины пальца. Отрезать боковые стебли с листьями надо осторожно, чтобы не ослабить основное растение. Филигранный рисунок вай (листьев) папоротника, темно-зеленых, полупрозрачных, делает его одним из красивейших украшений аквариума.
Болбитис Хейделоти (одна из разновидностей) может нормально развиваться в погруженном положении.
Самыми специализированными, истинно водными, уже полностью утратившими связь с сушей являются роголистники.
Кабомбы хорошо известны аквариумистам, но практически широко распространена пока только одна из них – каролинская. Реже встречается кабомба водная с тонкими игольчатыми долями листа. Это растение при хорошем уходе образует ветви диаметром до 15 см с густым оформлением листиками-иголочками. Чем лучше освещение, тем чаще сидят на стебле мутовки листьев (обычно пара супротивных листьев), тем красивее растение. В последнее время среди узкого круга любителей водных растений распространяются и другие виды кабомб: розовая – листьев в мутовке по три, сверху коричневато-розовые, снизу серебристо-розовые; мраморная – дольки листьев спирально закручиваются, образуя зелено-серебристый «мраморный» рисунок. В культуре эти виды значительно сложнее.
Интерес для аквариумистов представляют также нимфеи. Все нимфеи (за исключением больших) пригодны для содержания в аквариуме, особенно – с волнистыми широкостреловидными подводными листьями зеленого и вишнево-коричневого цвета. Настоящими декоративными растениями аквариумов считаются лишь несколько видов нимфей. Этот вид может долго не образовывать плавающих листьев, а коричневые подводные украшают аквариум. Размножаются, образуя боковые отростки от корней.
Глава 4
Технические средства обеспечения жизни рыб в аквариумах
Динамичные и пассивные, хитрецы и шалуны – вне зависимости от своего природного предназначения наши молчаливые питомцы дарят нам много приятных мгновений. Рыбок самых разных окрасок – все откровения аквариумного мира мы холим и лелеем, часто подсознательно успокаивая нервы, глядя сквозь прозрачные стенки их акватории. Да, мы получаем психологическую разрядку, так необходимую нам в век интеграции и информационных технологий. Раз в два-три дня надо кормить рыб, каждый день желательно дозировать освещение, раз в полмесяца необходимы долив или смена воды… Все эти процессы требуют постоянного внимания человека. И если, имея дома всего один аквариум объемом 50—200 л, казалось бы, нет сложностей в его содержании, то уже при наличии 2–3 аквариумов требуется автоматизация процессов обеспечения. Сегодня в офисах престижно содержать аквариум, но никто за него не отвечает – он общий… а значит, ничей.
Но как сделать заботу об аквариуме оптимальной, как автоматизировать процессы жизнедеятельности аквариума дома и в офисе – об этом четвертая глава книги.
Электроника может многое. В этой главе представлены электронные семы, позволяющие практически создать автоматические устройства, обеспечивающий бесперебойный цикл работы аквариумов. Все электрические схемы разработаны автором (имеющим дома 4 аквариума) и неоднократно проверены на практике. По сути, эта глава написана для того, чтобы поделиться практическим опытом с теми, кто также неравнодушен к аквариумистике и электронике.
Повторить приведенные в книге схемы может, пожалуй, каждый желающий, настолько они просты. Для этого нужно иметь дома паяльник и посетить магазин радиотоваров для приобретения недорогих радиокомпонентов.
4.1. Прозрачна ли вода в аквариуме?
Аквариумисты привыкли контролировать замутненность воды в аквариуме визуальным способом («на глаз»). Начинающие аквариумисты не меняют воду в аквариуме до тех пор, пока она не станет выделять запах. Однако с помощью несложного электронного устройства, собранного за пару свободных вечеров на рабочем столе, можно придать процессу контроля воды в аквариуме высокую точность, исключающую пресловутый «человеческий фактор». Выиграют от такого подхода все – и люди, и их питомцы в аквариуме. Электронное устройство контроля прозрачности воды основано на принципе контроля пропускания светового потока через раствор (воду).
Прозрачность (или светопропускание) воды обусловливается ее мутностью, то есть содержанием различных окрашенных и минеральных веществ. В свою очередь мутность раствора зависит от тонкодисперсных примесей, обусловленных наличием нерастворимых (коллоидных) неорганических веществ.
Мутность раствора измеряют фотометрическим способом, фиксируя интенсивность пропускаемого света и сравнивая этот показатель с показателем мутности заведомо прозрачного (стандартного) раствора. Прототипами фотометра являются промышленные приборы для измерения мутности раствора – фотоколориметры, например, КФК-2 и КФК-3, предназначенные для измерения коэффициентов пропускания света и оптической плотности растворов на отдельных участках диапазона 315–980 нм.
Однако эти промышленные устройства либо сложны в исполнении и настройке (требуют специальных измерительных приборов), либо мало пригодны для измерения относительной прозрачности растворов в домашних условиях. Поэтому для относительных измерений было разработано устройство фотоэлектрического фотометра (фотоколориметра), принцип действия которого основан на преобразовании светового потока в электрическую величину – напряжение.
Коэффициент пропускания определяется по формуле:
= (U – Ut): (U0 – Ut) * 100 %,
где U – напряжение на выходе устройства при исследовании раствора, В;
U0 – напряжение на выходе прибора при исследовании раствора дистиллированной воды, В;
Ut – напряжение на выходе при затемнении фоточувствительного датчика, В.
Функциональная схема прибора
Функциональная схема устройства представлена на рисунке 4.1.
Рис. 4.1. Функциональная схема устройства:
1 – осветительный прибор, совмещенный с объективом (линзой);
2 – аквариум с водой;
3 – фотодатчик, реализованный на фотодиоде ФД-24К;
4 – электронный усилитель с измерительным прибором;
5 – стабилизированный источник питания (выходное напряжение 12 В)
Электрические характеристики фотодиода ФД-24К:
область спектральной чувствительности – 0,47– ОД 2 мкм;
длина волны максимальной спектральной чувствительности – 0,75-0,85 мкм;
максимальное рабочее напряжение – 27 В;
темновой ток – 2,5 мкА;
сопротивление корпус-вывод фотодиода – не менее 100 МОм;
предельная рабочая освещенность – 1100 лк.
Электрические характеристики фотодиода ФД-24К позволили включить его в схему с операционным усилителем (ОУ) общего назначения с высоким входным сопротивлением. На входе ОУ КР140УД1208 реализован дифференциальный каскад с согласованной парой полевых транзисторов. Усилитель на микросхеме КР140УД1208 выбран для устройства благодаря своим оптимальным электрическим характеристикам (сопротивление нагрузки на выходе ОУ Rn > 2 кОм и высокая чувствительность по входу).
Рассмотрим электрическую схему устройства фотоколориметра на рисунке 4.2.
Рис. 4.2. Электрическая схема устройства фотоколориметра
Операционный усилитель DA1 – усилитель постоянного тока, на вход которого подключен фотодиод VD1. Фотодиод работает в этой схеме в режиме автогенератора, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию (фото ЭДС). Фотодиод подключен на инвертирующий вход ОУ (вывод 2 DA1) как генератор тока. ОУ преобразовывает ток в напряжение на выходе (вывод 6 DA1). Выход ОУ нагружен на портативный цифровой вольтметр PV1 типа М-830-В, индицирующий значения напряжения, зависящие от прозрачности (замутнения) воды.
Резистор R6 шунтирует вольтметр PV1 для защиты ОУ в случае обрыва контактов с вольтметром (при отключении вольтметра).
Выходное напряжение на выводе 6 DA1 рассчитывают по формуле:
Uвых = Iфд· R1 · J.
На выходе ОУ максимальное напряжение 10 В окажется при максимальном фототоке фотодиода VD1, то есть при проецировании светового потока от светодиодной лампы (или лампы накаливания) через кювету с чистой дистиллированной водой.
На рисунке 4.3 представлено действующее устройство, где исследуется прозрачность раствора соли 3 %.
Рис. 4.3. Готовое устройства в действии
При этом эксперименте показания вольтметра составляют 8,91 В. Это почти прозрачная, но не самая прозрачная жидкость. Таким образом, максимальное значение прибора PV1, включенного в режим измерения напряжения (~ 10 В), соответствует чистой воде. А минимальное, соответственно раствору определенной мутности. Запись показаний вольтметра осуществляют опытным путем при различных значениях коэффициента пропускания, которые фиксируют при разной мутности воды в аквариуме, в одно и то же световое время дня.
Световой поток в данном случае поступает от светодиодной лампы, которая уже снабжена линзой. Лампа освещения иустройство фотоколориметра зафиксированы тисками и струбциной на одном уровне. Это важно для точности измерения.
По той же аналогии исследуют мутность воды в аквариуме.
Налаживание. Налаживание сводится к установке устройства «в нуль», то есть к максимальным показаниям вольтметра (PV1) при исследовании заведомо прозрачного раствора дистиллированной воды, помещенного в 3-литровую банку (или иную подходящую кювету объемом 0,5–3 л). Эта корректировка осуществляется подбором сопротивления резистора R1.
О деталях. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25, MF-125. Оксидный конденсатор С2 сглаживает пульсации источника питания. Вместо вольтметра М830-В можно применить любой вольтметр (желательно цифровой) с пределом измерения постоянного напряжения 10–20 В.
Монтаж частей устройства. Светодиодную лампу EL1 закрепляют в корпусе портативного фонаря с отражателем, а сам фонарь жестко закрепляют в миниатюрных тисках (струбцинах) напротив фотодатчика. Фотодатчик закрепляют в тисках с другой стороны аквариума (кюветы с раствором) в любом подходящем компактном корпусе с линзой. Корпус фотодатчика устанавливают напротив источника света, выравнивая горизонтальную плоскость линейкой или строительным уровнем. Внешний вид закрепленных частей конструкции показан на рисунке 4.3.
Перспектива применения. Кроме рассмотренного варианта контроля мутности аквариумной воды предложенным способом можно эффективно измерять мутность и оптическую светопроницаемость любых других растворов.
Альтернативный вариант фотоколориметра. Кроме снятия показаний с помощью вольтметра PV1 можно использовать и другие средства параметрической сигнализации, например световую или звуковую индикацию, что расширит возможности устройства. Это несложно осуществить, собрав простую схему фотодатчика, представленную на рисунке 4.4.
Рис. 4.4. Электрическая схема фотодатчика на транзисторах
Фототранзистор VT1 в данной схеме является фотодатчиком, принимающим световой сигнал. К точке А подключают любое устройство звуковой сигнализации (или световой) с соблюдением полярности подключения, например, капсюль со встроенным генератором 34 типа KPI-4332. При чрезмерной мутности контролируемого раствора включится звуковой капсюль. Порог срабатывания устройства теперь устанавливают регулировкой входного делителя напряжения или первого усилительного каскада параметрического сигнализатора.
После такой доработки нет необходимости в проведении постоянных физико-химических опытов, а замутнение воды сверх установленного порога вызовет немедленную сигнализацию (например, звуковую), которую хозяева услышат даже из кухни. В этом направлении остается большой простор для творческой активности радиолюбителей.
Принцип работы устройства. Световой поток от светодиодной лампы HL1 проходит параллельно окну фототранзистора VT1. Регулировка чувствительности устройства осуществляется переменным резистором R2. В нижнем (по схеме) положении движка переменного резистора R2 чувствительность устройства минимальная.
При абсолютно чистой воде фототранзистор VT1 полностью открыт (сопротивление перехода эмиттер-коллектор минимально), соответственно, транзистор VT2 (включенные по схеме усилителя тока) заперт. Когда вода в аквариуме мутнеет, световой поток, приходящий к рабочей поверхности фототранзистора VT1 от светодиодной лампы HL1 сквозь загрязненную естественными отходами воду, пропорционально уменьшается. В зависимости от сопротивления в средней точке делителя напряжения, реализованного с помощью R1 и переменного резистора R2, фототранзистор VT1 находится в открытом, частично открытом или закрытом состоянии. Соответственно состоянию фототранзистора VT1, транзистор VT2 находится в запертом, частично запертом или открытом состоянии. Таким образом, при замутнении воды естественными отложениями световой поток к фототранзистору VT1 уменьшается, он плавно закрывается, через резистор R3 и диод VD1 ток поступает в базу транзистора VT2, он частично приоткрывается (поскольку вода, даже мутная, не может не пропускать свет), и между точкой А и общим проводом присутствует разница потенциалов (тем больше, чем мутнее вода в аквариуме).
К точке А в данной схеме может подключать устройство усиления сигнала на операционном усилителе или иное устройство индикации состояния. Таким устройством может быть даже параметрический сигнализатор или (если требуется большая точность измерения) устройство АЦП или миллиамперметр. Все эти устройства подключаются (с соблюдением полярности) параллельно постоянному резистору R4.
О деталях. Вместо фототранзистора ФТ-1 можно включить зарубежный фототранзистор ОСР-70 без какой-либо переделки схемы. Если такого аналога нет, можно изготовить фототранзистор самому, аккуратно отпилив шляпку обыкновенного полупроводникового транзистора типа МП39-МП42 (или аналогичных). Или, например, заменить VT1 фотодиодом ФД-7 (или аналогичным), включив его в соответствии с полярностью (катод к «+» Uп) вместо перехода эмиттер-коллектор транзистора VT1. При этом вместо ограничительного резистора R3 включают делитель напряжения R1R2.
4.2. Аквариумный таймер
Аквариумный таймер, работающий в режиме циклической генерации, важен аквариумисту как безотказный прибор управления освещением и аэрацией аквариума. Промышленность (в том числе зарубежная) бьет все рекорды по выпуску электронных и электромеханических таймеров, программируемых для выдержки времени в определенные дни и часы недели (и месяца). Конкуренция в области производства таймеров бытового предназначения выросла за пару лет в разы. Одна из схем подобного назначения, воплотившая наиболее простое схемное решение, представлена на рисунке 4.5.
Особенности устройства в полуавтоматическом режиме работы. При наступлении рассвета (включении освещения в комнате, где установлены фотодатчики) электронное устройство издает кратковременный звуковой сигнал и включает лампу аквариумного освещения вместе с компрессором-помпой. Лампа освещения ELI и компрессор остаются включенными в течение почти 4 часов (зависит от номиналов элементов R5C2). По окончании выдержки времени лампа освещения и компрессор отключаются. При новом рассвете (новом включении света в комнате после периода затемнения) цикл работы устройства повторяется – так происходит ежедневно.
В основе устройства таймер на популярной микросхеме КР1006ВИ1. Он собран по классической схеме в режиме автогенерации импульсов большой длительности. На выходе таймера включено электромагнитное реле К2, своими контактами К2.1 оно управляет подачей напряжения на компрессор аквариума и осветительную лампу HL1, Лампа может быть как люминесцентной (с соответствующей схемой управления), так и лампой накаливания с мощностью до 15 Вт. Более высокая мощность не желательна из-за возможности перегрева и оплавления верхней крышки аквариума, в которой установлена лампа освещения HL1. Насос-компрессор – любой промышленный для аквариумов.
Рис. 4.5. Электрическая схема аквариумного таймера с узлом кратковременной звуковой сигнализации
В схему введен узел управления самой микросхемой КР1006ВИ1 в зависимости от внешнего освещения. Это сделано для того, чтобы таймер (лампа освещения аквариума и компрессор) включались только в светлое время суток, а ночью были не активны. Данный фоточувствительный узел собран на однотипных транзисторах VT1, VT2, нагруженных на электромагнитное реле К1. Коммутирующие контакты реле К1.1 подают питание на (или отключают от питания) микросхему DA1. При слабой освещенности однотипных фоторезисторов СФЗ-1 (включенных параллельно и обозначенных единым символом на схеме PR1) транзисторы VT1, VT2 закрыты, соответственно реле К1 обесточено, контакты реле К 1.1 с номерами 3 и 5 (согласно схеме рис. 4.5) разомкнуты, и на автогенератор, собранный на микросхеме DA1 напряжение не поступает. Соответственно, контакты К2.1 разомкнуты, и лампа освещения аквариума EL, а также компрессор обесточены.
Переменный резистор R1 введен в схему для удобства регулировки порога включения транзисторного каскада VT1, VT2. Он (резистор R1) определяет чувствительность данного узла к световому потоку.
Если освещение фоторезисторов достаточно, например днем, сопротивление фоторезисторов PR1 мало, транзисторы VT1, VT2 открыты, реле К1 включено, на микросхему DA1 подано напряжение питания, индикаторный светодиод HL2 (аналогичный по электрическим характеристикам HL1) светится. На узел звуковой индикации подано питание. Микросхема DA1, включенная в режиме отсчета выдержки времени в соответствии с номиналами элементов времязадающей цепи R5C2, начинает отсчет времени. Реле К2 включено, лампа освещения аквариума и компрессор включены.
По окончании выдержки времени, заданной номиналами элементов R5C2 (примерно 240 мин), на выводе 3 микросхемы DA1 появляется высокий уровень напряжения, реле отпускает, и контакты К2.1 размыкаются, лампа освещения гаснет, компрессор выключается.
Теперь следующее включение произойдет после того, как контакты К1.1 разомкнуться (это произойдет при недостаточной освещенности, например, вечером и ночью), а затем снова замкнуться с наступлением нового дня или включением основного света в комнате, где установлены фотодатчики PR1.
Узел звукового сопровождения подключается непосредственно параллельно к контактам питания того устройства, включение которого он призван контролировать, в данном случае параллельно питанию микросхемы DA1.
В основе этого электронного узла популярная микросхема K561ЛA7. Благодаря применению одного из ее логических элементов, а также использования капсюля со встроенным генератором звуковой частоты (34) в схему нет необходимости вводить какие-либо генераторы импульсов или усилители к ним. Такой же узел не сложно собрать и на логических элементах других микросхем КМОП (например, K561ЛE5, K561TЛ1), однако наиболее простое схемное решение показано на рис. 1.
Схема кратковременной звуковой сигнализации основана на одном логическом элементе DD1.1 микросхемы K561ЛA7, включенном как инвертор. При подаче питания на входе элемента (выводы 1 и 2 DD1.1) присутствует низкий уровень напряжения до тех пор, пока не зарядится оксидный конденсатор С1 через ограничительный резистор R2. Пока этого не произошло, на выходе элемента (вывод 3 DD1.1) присутствует высокий уровень напряжения. Он поступает через ограничивающий ток резистор R6 в базу транзистора VT3, работающего в режиме усилителя тока.
Транзистор VT3 открыт, сопротивление его перехода на коллектор-эмиттер близко к нулю, и на пьезоэлектрический капсюль со встроенным генератором звуковой частоты НА1 подано напряжение питания.
Когда постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным напряжению питания устройства, капсюль переходит в режим генерации колебаний звуковой частоты.
По мере заряда конденсатора С1 через резистор R2 и внутренний узел элемента DD1.1 происходит изменение состояние выхода микросхемы. Когда напряжение на обкладках конденсатора С1 достигнет уровня переключения микросхемы, она переключится, и высокий уровень напряжения на выходе DD1.1 сменится низким. Транзистор VT1 закроется. Постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным нулю, и капсюль перейдет в режим ожидания.
При указанных на схеме значениях элементов R2 и С1 задержка выключения звука составит около 3 сек. Ее можно увеличить, соответственно увеличив емкость конденсатора С1. В качестве конденсатора С1 лучше использовать оксидный типа К50-29, К50-35 и аналогичный с небольшим током утечки. В обратную сторону длительность временного интервала можно легко сократить, уменьшив сопротивление резистора R2. Если вместо него установить переменный резистор с линейной характеристикой, то получится устройство с регулируемой задержкой.
Функцию данного электронного узла можно поменять на обратную – то есть сделать так, чтобы пьезоэлектрический капсюль НА1 молчал первые 3 сек после подачи на устройство питания, а затем все остальное время работал. Для этого оксидный конденсатор С1 и времязадающий резистор R1 следует поменять местами (с соблюдением полярности включения оксидного конденсатора – положительной обкладкой к «плюсу» питания). При этом средняя точка их подключения к выводам 1 и 2 элемента DD1.1 сохраняется. В таком варианте устройство без особых изменений можно применять для звукового сигнализатора открытой (сверх меры) дверцы холодильника. Кроме того, вариантов применения данного простого и надежного устройства бесконечно много, и они ограничены только фантазией читателя.
О налаживании и деталях. Устройство в налаживании не нуждается. Элементы устройства закрепляют на монтажной плате. Корпус – любой подходящий.
R1 – типа СПЗ-4 или аналогичный, с линейной характеристикой изменения сопротивления. Все постоянные резисторы R2—R6 типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы типа К50-29 или аналогичные. Светодиоды любые с током 5-8 мА, например, АЛ307БМ. Транзисторы VT1, VT2 типа КТ3107А – КТ3107Ж или аналогичные. Транзистор VT3 любой кремниевый, малой и средней мощности структуры п-р-п, например, КТ603, КТ608, КТ605, КТ801,КТ972, КТ940 с любым буквенным индексом.
Реле Kl, К2 на напряжение срабатывания 8—12 В и ток до 30 мА. Реле К2, кроме того, должно обладать особыми свойствами коммутационных контактов – быть рассчитано на напряжение коммутации не менее 250 В и ток не менее 1 А. Пьезоэлектрический капсюль может быть любым, рассчитанным на напряжение 4—20 В постоянного тока, например FMQ-2015D, FXP1212, KPI-4332-12.
Источник питания – стабилизированный, обеспечивающий выходное напряжение 5—15 В – в этом диапазоне микросхемы DD1 и DA1 функционируют стабильно.
Оксидный конденсатор СЗ сглаживает пульсации питающего напряжения.
Ток потребления в активном режиме звукового сигнала с применением указанных на схеме элементов составляет 60-62 мА. Громкость звука достаточна настолько, что сигнал хорошо слышен в помещении на расстоянии до 10 м.
4.3. Автоматическая система обеспечения жизни в аквариумах
Тем, кто выращивает в аквариуме декоративных рыбок, может быть полезна эта схема. Согласно наставлениям и опыту специалистов в области разведения декоративных аквариумных рыбок, свет маленьким питомцам должен быть обеспечен большую часть суток. Однако, если даже держать аквариум в доступном для солнечного света месте (естественное освещение), наступает ночь, и рыбкам становится темно.
Промышленностью в широком спектре выпускаются автоматические таймеры освещения для аквариумов и автоматические компрессоры воздуха, которые работают не круглосуточно, а по заданному алгоритму. Предлагаемое ниже электронное устройство, проверенное автором, способно заменить промышленную автоматику и является не худшим по отношению к серийно изготовленным системам. Несомненным плюсом в его повторении является низкая себестоимость деталей и простота конструкции, которую может собрать практически любой школьник, знакомый с паяльником и основами электротехники. Кроме того, в порядке творческой инициативы данную схему можно расширить и дополнить (например, реализовав в ней индикатор режимов и возможность регулировки времени работы каждого таймера), что также считаю положительном качеством разработки для тех, кто самостоятельно хочет собрать электронный узел для своего домашнего аквариума. Такая система будет полезной и для тех аквариумистов, что содержат по нескольку больших аквариумов, для фирм и организаций, где аквариумы установлены в холлах и нуждаются в автоматическом или полуавтоматическом обслуживании.
Электрическая схема устройства показана на рисунке 4.6.
Электронная схема состоит из двух таймеров (реле времени). При включении питания реле К1 (на напряжение срабатывания 9—12 В) включается сразу, его исполнительные контакты К1.1 включают реле К2 и КЗ. При включении данного реле контакты К3.1 подают питание на первый таймер – на микросхему DD1 K561ЛA7, а контакты К3.2 размыкаются и разрешают заряжаться оксидному конденсатору С2 этого таймера. Когда С2 зарядится до уровня переключения логического элемента микросхемы DD1.1, на выходе элемента DD2.1 будет присутствовать высокий логический уровень, а соответственно, на выходе элемента DD2.2 – низкий уровень.
Рис. 4.6. Электрическая схема устройства автоматического управления светом и компрессором для аквариума
Он поступит на управляющий вход второго таймера, реализованного на микросхеме DA1 КР1006ВИ1. Этот таймер выключит реле К1 и начнет отсчитывать новую выдержку времени, заданную номиналами элементов R1, R2, СЗ. При указанных на схеме (рис. 4.6) номиналах RC-цепочки RI, R2, СЗ и R4, R5, С2 (движки переменных резисторов в среднем по схеме положении) выдержка первого таймера на логических элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы K561ЛA7 – время горения осветительной лампы ELI, установленной за аквариумом, составит 2 часа 15 мин, а время выдержки второго таймера на микросхеме КР1006ВИ1 (момент, когда лампа ELI погашена) – 1 час. Время задержки выключения каждого из таймеров в широких пределах корректируют соответственно переменными резисторами R2 и R5. Работа таймеров осуществляется в циклическом алгоритме.
Изменением номиналов указанных RC-цепочек выдержку времени регулируют в широких пределах. Устройство можно использовать также для других целей (периодическое обогревание аквариума, работа компрессора для подачи рыбам воздуха – его подключают вместо или параллельно электролампе ELI).
При исправных элементах и правильном монтаже устройство не требует налаживания. Подача питания на микросхему DA1 производится постоянно от источника питания. На 14 вывод микросхемы DD1 подача питания производится постоянно (+UnMT), а общий провод (корпус) подается на 7 вывод DD2 через коммутирующие контакты реле К3.1.
Источник питания – стабилизированный, с понижающим трансформатором, на напряжение 14–16 В. Ток потребления узла (без учета тока потребления реле) незначителен и не превышает 15 мА. Максимальный ток потребления составит не более 100 мА.
Все слаботочные электромагнитные реле, применяемые в данном устройстве, можно также заменить на зарубежные аналоги, подходящие по электрическим характеристикам, например, Relpol RM85-2011-35-1012.
Индикаторный светодиод HL1 – любой с током до 10 мА. Все постоянные резисторы типа MЛT-0,25. Переменные резисторы с линейной характеристикой изменения сопротивления, например СПО-1, СПЗ-49В и аналогичные. Оксидные конденсаторы типа К50-24, К50-29 и аналогичные. Конденсатор С1 сглаживает помехи от источника питания.
Микросхему КР1006ВИ1 можно заменить на зарубежный аналог LM555 и аналогичные. Микросхему DD1 заменяют на К561ЛЕ5 или на зарубежные аналоги соответственно.
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 h21э 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.
Читать бесплатно другие книги:
