Автономное электроснабжение частного дома своими руками

Таймер – устройство выдержки времени – выдает на выходе положительный управляющий импульс с периодичностью один раз в час.

Дозатор полива вместе со схемой совпадений сравнивает сигналы управления от предыдущих блоков и включает исполнительное устройство – электродвигатель, нагнетающий воду из резервуара в том случае, когда оба этих сигналы имеют низкий логический уровень.

Электродвигателем управляет исполнительное реле К1, рассчитанное на напряжение 12 В, и коммутирующее ток до 3 А.

2.1.1. Принцип работы устройства

На логических элементах микросхемы DD1.1, DD1.2 К561ЛА7 собран сигнализатор влажности. Перед этим узлом стоит важная задача – сигнализировать о сухой почве и не допустить ее переувлажнения, так как в последнем случае это может погубить цветы. Поэтому система полива должна включаться на короткие промежутки времени, с постоянным контролем состояния влажности почвы.

Контакты Х1 изготовлены из металлических спиц (применяемых также для вязания) длиной 30 см – каждая. Контактные проводники припаиваются к спицам с помощью припоя ПОС-61 (или аналогичного) и флюса. Проводники от датчиков-спиц выполнены гибким монтажным проводом МГТФ-0,8 и имеют длину не более 50 см каждый.

Большая длина проводников к датчику приведет к ложным срабатываниям логических элементов микросхемы DD1.1 и DD1.2. Переменный резистор R1 необходим для регулировки чувствительности узла, осуществляющего контроль влажности почвы. Перед первым включением движок R1 устанавливают в среднее (по схеме) положение. Датчики – спицы помещаются в почву цветочного горшка на глубину до 20 см.

Пока почва сухая, она имеет большое сопротивление электрическому току (несколько десятков МОм).

Сопротивление переменного резистора R1 меньше этого значения, поэтому на выводах 1 и 2 логического элемента DD1.1 присутствует сигнал высокого логического уровня. На выводе 3 DD1.1 будет низкий уровень (так как элемент включен как инвертор), а на выводе 4 элемента DD1.2 присутствует вновь высокий уровень. Благодаря этому напряжению заряжается оксидный конденсатор С3, который необходим для инерции срабатывания узла контроля влажности.

Когда С3 зарядится до напряжения 4…6 В (несколько секунд) на выходе элемента DD1.3 окажется низкий уровень напряжения – он поступит на узел сравнения напряжений, собранный на элементе DD2.1. Элемент DD2.1 (ИЛИ с инверсией) согласно таблице истинности выдаст на выходе (вывод 11) управляющий сигнал высокого логического уровня, если на входах (выводы 12 и 13 DD2.1) будет сочетания двух низких уровней (в любом другом случае сигнал на выводе 11 будет иметь низкий уровень, транзистор заперт, электродвигатель М1 не работает).

Таким образом, при появлении на выходе логического элемента DD2.1 высокого уровня, откроется транзистор VT1, который подаст питание на исполнительное реле К1. Реле К1 своими коммутирующими контактами К1.1 замкнет цепь питания электромотора М1 с номинальным напряжением 12 В. В качестве электромотора М1 используется промышленный электродвигатель омывателя стекла для автомобилей семейства ВАЗ-2101–2107. Резервуар для воды (жидкости) емкостью 1,3 л/ также используется промышленный – бачок омывателя лобового стекла автомобилей указанного типа. Диод VD1 препятствует броскам обратного тока через реле К1 и защищает переход транзистора VT1.

Соответственно, если почва в цветочном горшке влажная, то на выводе 12 элемента DD2.1 окажется высокий уровень напряжения. При этом на выводе 4 элемента DD2.2 также постоянно присутствует высокий уровень напряжения, кроме тех периодов, когда от таймера (рис. 2.2) поступает управляющий импульс низкого уровня с периодичностью один раз в час.

На элементах DD1.4 и DD2.2 собран электронный дозатор, формирующий временные интервалы, в течении которых в системе нагнетается вода для полива. Таймер на микросхеме DD3 К561ИЕ16 (рис. 2.2) необходим для циклической подачи управляющих импульсов с периодичностью примерно один раз в час. Управляющие импульсы положительной полярности снимаются с вывода 3 микросхемы К561ИЕ16 (точка А на схеме), инвертируются элементом DD2.3 и подаются на вход узла электронного дозатора через конденсатор С1, который не пропускает постоянную составляющую напряжения.

Время работы электродвигателя М1 (нагнетания воды из резервуара) определяется значениями элементов времязадающей цепи С2R6. При указанных на схеме значениях этих элементов электродвигатель будет работать в течении 20 с.

Рассмотрим подробнее работу таймера, схема которого показана на рис. 2.2.

Таймер собран на одной микросхеме К561ИЕ16. Задающим генератором импульсов служит мигающий светодиод HL1. На выводе 10 (тактовый вход микросхемы DD3) присутствуют импульсы с частотой примерно 2 Гц.

При вспышке светодиода, на выводе 10 DD3 оказывается высокий уровень напряжения, а при погасании светодиода этот уровень сменяется на низкий. Счетчик реагирует на отрицательный фронт импульса и начинает внутренний счет. Высокий уровень напряжения появляется последовательно на каждом выходе Q0–Q13 счетчика.

Максимальная выдержка времени, которую может обеспечить счетчик К561ИЕ16 в данной схеме, при условии применения в качестве генератора импульсов мигающего светодиода, составит около 1 ч. Сигнал на выключение устройства нагрузки произойдет на выводе 3 (выход Q13) после того, как счетчик досчитает до 8192.

Почему для этого устройства выбрана именно микросхема К561ИЕ16? Для этого подробнее рассмотрим ее функциональные характеристики.

Микросхема К561ИЕ16 содержит 14-ти разрядный асинхронный счетчик с входным каскадом, обостряющим тактовые импульсы. На входе микросхемы установлен формирователь импульсов и триггер. Выходной сигнал поступает на вывод Q0–Q13 от однотипных внутренних буферных усилителей. Счетчик сбрасывает выходные сигналы (переводя их в низкий логический уровень) при напряжении высокого уровня на входе сброса R (вывод 11). Содержимое счетчика увеличивается откликом на каждый отрицательный перепад на тактовом входе с (вывод 10). Максимальная тактовая частота может достигать 3 МГц, а длительность импульса сброса должна превышать 550 нс. Микросхема К561ИЕ16 широко распространена и имеет небольшую стоимость, что является дополнительным стимулом для разработки различных электронных устройств на ее основе.

В первый момент времени после подачи на микросхему питания начинает заряжаться оксидный конденсатор С5 через резистор R8, на входе сброса R микросхемы DD3 устанавливается высокий уровень, благодаря которому на всех выходах Q будет присутствовать низкий уровень.

По прошествии 60 мин/ (выдержка времени, обусловленная счетом до 8192 микросхемы DD3) на выводе 3 DD3 возникает напряжение высокого уровня. Оно инвертируется элементом DD2.3 и поступает через разделительный конденсатор С1 на узел дозатора полива. Принудительно сбросить счетчик в нуль можно кратковременным отключением питания или замыканием накоротко постоянного резистора R8 (подачей низкого уровня на вход сброса R микросхемы К561ИЕ16).

2.1.2. Особенности установки

Как уже было отмечено выше, воду из бачка омывателя нагнетает автомобильный электродвигатель. Патрубок-капельница также используется штатный – его можно приобрести в магазинах автомобильных товаров или в торговых точках товаров для аквариума. Длина патрубка 3–4 м. большую длину использовать не желательно, так как напор воды будет сокращаться. На концы патрубка-капельницы надевают распылители воздуха для аквариума, через которые свободно проникает и вода.

Эти распылители и, тройник-разветвитель и миниатюрный вентиль показаны на рис. 2.4. Приобрести их можно там же (к примеру, у аквариумистов).

Рис. 2.4. Вентиль, тройник и распылители

Распылители для воды закрепляют на штативе или на самом стволе цветка (если толщина позволяет) в середине ствола, так, чтобы распыляющаяся влага доставалась не только почве, но и стволу и листьям цветка. Когда требуется обслуживать несколько цветков, недалеко удаленных друг от друга, на патрубок устанавливают тройник, от которого разветвляются еще два патрубка.

2.1.3. О деталях

Кроме микросхемы К561ИЕ16 можно без изменений в схеме применить ее зарубежный аналог CD4020В. Вместо этих микросхем можно применить более дорогую по стоимости зарубежную микросхему CD4060 (у которой нет полного аналога в К561 серии). Микросхема CD4060 имеет встроенный генератор импульсов, поэтому элементы HL1 и R9 из электрической схемы можно исключить.

Транзистор КТ604А заменяют любым из серий КТ815, КТ817, КТ819.

Диод VD1 – любой из серий КД521, КД522, КД102, КД103, 1N4148. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы С2 – С5 типа К50-24, К50-29 или аналогичные. Конденсатор С1 типа КМ-6 или аналогичный. Оксидный конденсатор С4 сглаживает пульсации напряжения.

Мигающий светодиод (кроме указанного на схеме) может быть типа L-816BRSC-B, L-56DGD, ARL-5013URC-B или аналогичным. Реле К1 – любое на напряжение срабатывания 10–12 В, с током потребления 10–50 мА, например, WJ118-1C или аналогичное.

Устройство очень экономично и непритязательно к параметрам источника питания. Ток потребления без учета тока потребления реле составляет всего 20 мА, причем большая часть расходуется мигающим светодиодом. Источник питания стабилизированный.

Устройство хорошо работает при напряжении питания 9–15 В и работоспособно и при снижении напряжения питания до 5 В, однако в этом случае частота задающего генератора на мигающем светодиоде HL1 заметно увеличивается, что приводит к уменьшению времени задержки.

2.1.4. Налаживание

Устройство в налаживании не нуждается.

Время работы электродвигателя М1 (время полива) корректируется емкостью конденсатора С2. При емкости С2 = 1 мкФ и напряжения питания 12 В время полива составит 4 с., при С2 = 20 мкФ время полива увеличится до 1 мин.

Чувствительность узла контроля влажности почвы регулируют изменением сопротивления переменного резистора R1. При уменьшении сопротивления R1 чувствительность уменьшается.

Задержка включения таймера также может быть изменена путем подключения входа инвертора DD2.3 к другому выходу Q микросхемы– счетчика К561ИЕ16.

Так, к примеру, при подключении к выходу Q9 DD3 (вывод 14) управляющий импульс высокого уровня поступит на инвертор примерно через 3 мин. после начала отсчета импульсов задающего генератора (микросхема сосчитает до 512).

2.1.5. Варианты практического применения

Устройство можно применять не только в соответствии с описанным выше способом – для автоматического полива растений. В жаркое время года, когда в квартире душно и уровень влажности катастрофически мал, такое устройство без изменения электрической схемы послужит для увлажнения воздуха.

Для этого распылители воды, установленные на концах патрубков-капельниц закрепляют сверху решетки комнатного вентилятора (желательно применять напольный вентилятор с высокой штангой). Один раз в час (или в другом алгоритме, «запрограммированном» радиолюбителем под конкретные задачи) нагнетатель воды и бачка распылит влагу мелкими каплями на вращающиеся лопасти вентилятора. При этом (учитывая, что вентилятор вращается в одной горизонтальной плоскости, но имеет угол свободного вращения до 90°) достигается увлажнение большой территории комнаты.

Благодаря применению аквариумных распылителей влага распыляется дозировано, мелкими каплями, поэтому утечки воды (и лужи под вентилятором) не происходит.

Устройство практически опробовано автором осенью 2014 г.

2.2. Радиоуправление электронными устройствами

Электронное устройство, состоящее из радиоприемника и передатчика сигналов радиочастоты совсем несложно переоборудовать в радиоуправляемый электронный узел, включающий и выключающий свет в квартире дистанционно.

Пространство действия устройство распространяется до 100 м в условиях прямой видимости, что достаточно для управления в пределах среднестатистической квартиры или дома.

Передатчик, внешне представляющий собой корпус в виде пульта дистанционного управления (см. рис. 2.5 справа), в доработке не нуждается.

Благодаря несложной доработке приемного устройства (рис. 2.5 слева) устройство приемника радиосигналов принимает новое назначение.

Рис. 2.5. Внешний вид передатчика и приемника

Теперь с его помощью можно дистанционно управлять электролампой накаливания или другой подобной нагрузкой.

На рис. 2.6 (соответственно слева и справа) представлен вид промышленно приемо – передающего устройства со снятой крышкой (вид на печатные платы приемника и передатчика радиосигналов).

Рис. 2.6. Вид на приемник и передатчик радиосигналов со снятыми корпусами

Электрическая схема устройства приставки к приемнику представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Электрическая схема приставки

Приставка подключается к печатной плате приемного устройства неэкранированными проводами типа МГТФ-0,4 (или аналогичными), при этом вход элемента микросхемы DD1.1 подключается к контакту (выводу) 6 микроcборки U2 (имеющей маркировку на печатной плате CL 102K 0985RX.

При поступлении импульса от передатчика (длительностью не менее 2 с) на выводе 6 микросборки U2 уровень сигнала изменяется с низкого на высокий.

Вывод 6 U2 по печатному монтажу соединен с выводом 9 U1 – входом формирователя сигнала.

Для того, чтобы устройство функционировало нормально достаточно разорвать печатный проводник от вывода 6 U2 до вывода 9 U1.

Основой схемы на рис. 3.7 является триггер на одном элементе микросхемы К561ТМ2.

Эта микросхема имеет 2 D-триггера, каждый из которых содержит по два входа асинхронного управления – S и R. Триггер переключается по положительному перепаду на тактовом входе С (вывод 3 DD1.1). При этом логический уровень, присутствующий на входе D, передается на прямой выход Q.

При высоком логическом уровне на входе сброса R триггер обнуляется.

Напряжение питания приставки в пределах 5–15 В.

2.2.1. Принцип работы приставки

При включении питания в первый момент времени на вход R DD1.1 благодаря разряженному конденсатору С2 поступает высокий логический уровень, который обнуляет триггер так, чтобы на прямом выходе Q установился низкий уровень напряжения. Транзистор VT1 закрыт, реле К1 обесточено, лампа накаливания EL1 не горит.

Примерно через ½ с (это обусловлено емкостью оксидного конденсатора С2 и сопротивлением резистора R1) первый зарядится почти до напряжения питания и уровень на входе R (вывод 4 DD1.1) переменится на низкий. Теперь триггер готов к приему сигналов по тактовому входу С, имеющему, как следует из схемы, низкий исходный уровень. Когда с пульта дистанционного управления поступает радиосигнал (и принимается приемным устройством), на входе С микросхемы DD1.1 появляется высокий уровень напряжения – триггер перебрасывается в другое устойчивое состояние. Теперь на его прямом выходе Q высокий уровень напряжения. Транзистор VT1 включает реле К1, а его контакты в свою очередь замыкают электрическую цепь питания лампы накаливания EL1.

В таком состоянии триггер находится до следующего положительного фронта импульса на входе С. При его поступлении (повторного нажатия клавиши на пульте), триггер переходит в исходное состояние, лампа накаливания EL1 обесточивается.

Цепь С2R1 обеспечивает сброс триггера микросхемы DD1 в исходный режим ожидания при включении питания. Оксидный конденсатор С1 выполняет функцию фильтрующего элемента по питанию. Диод VD1 препятствует броскам обратного напряжения при включении/выключении реле.

Суммарная мощность коммутируемой нагрузки зависит от параметров электромагнитного реле К1 и в данном случае ограничивается 150 Вт.

Из-за небольшого количества дискретных элементов приставки, все они монтируются на участке перфорированной платы размером 30×40 мм и вместе с соединительными проводами помещаются в штатный корпус.

Для уменьшения воздействия электрических помех желательно, чтобы провода, соединяющие устройство с источником питания и идущие от реле К1 к осветительной лампе стремились к минимальной длине.

2.2.2. О деталях

Постоянные резисторы МЛТ-0,25 (MF-25). Оксидные конденсаторы типа К50-26 на рабочее напряжение не менее 16 В. Остальные неполярные конденсаторы типа КМ-6Б.

Микросхему DD1 (К561ТМ2) можно заменить на К561ТМ1 без ущерба для эффективности работы узла, но в этом случае придется изменить схему, так как выводы у этих микросхем имеют разное назначение.

Транзистор VT1 – полевой, с большим входным сопротивлением. Это позволяет минимизировать ток утечки в состоянии ожидания радиосигнала и практически не оказывает влияния на выход триггера, не смотря на ограничивающий резистор R2 с малым сопротивлением.

Реле К1 можно заменить на РЭС43 (исполнение РС4.569.201) или другое, рассчитанное на напряжение срабатывания 4–4,5 В и ток 10–30 мА.

Устанавливать в устройство реле с током включения более 80 мА нежелательно, так как управляющий работой реле транзистор VT1 имеет ограничение по мощности.

Вместо КП540А можно применить полевой транзистор любой из серии КП540 или его зарубежные аналоги BUZ11, IRF510, IRF521.

Cветодиод HL1 – любой, с его помощью удобно контролировать срабатывание реле и замыкание исполнительных контактов. При необходимости элементы HL1, R3 из схемы можно исключить без последствий. Штатный включатель комнатного освещения на схеме показан под наименованием SA1.

Вместо лампы накаливания, обозначенной на электрической схеме EL1, можно применять любое устройство активной нагрузки с потребляемой от осветительной сети 220 В мощностью не более 150 Вт.

2.3. Автономный световой «маяк» для безопасности

Проблесковые маячки применяются в электронных охранных комплексах и на автотранспорте как устройства индикации, сигнализации и предупреждения. По тому же принципу действия – для привлечения внимания водителей к движущейся в вечернее время по пешеходному переходу детской коляске – я сделал маячок из подручных деталей. В разделе рассказывается о том, как в корпусе от детской игрушки с магнитным основанием сделать электронный маячок. Этот раздел может стать полезным для семей с маленькими детьми.

На дворе XXI век, в котором продолжается триумфальное шествие супер ярких (и мощных по световому потоку) светодиодов. Один из основополагающих моментов в пользу замены ламп накаливания и галогенных ламп светодиодами, в частности в проблесковых маячках, является ресурс и стоимость светодиода. Под ресурсом, как правило, понимают срок безотказной службы.

Широкое использование светодиодов с мощным световым потоком в несколько десятков Лм (Люменов) в электронных устройствах промышленного изготовления, где ими заменяют даже лампы накаливания, дает повод радиолюбителям применять такие светодиоды в своих конструкциях.

Самый экономичный вариант электрической схемы для питания светодиодов может быть реализован посредством импульсного преобразователя тока. В этом случае ток потребления от источника питания незначителен. На рис. 3.8 представлена электрическая схема устройства.