Автомат наполнения емкости водой
12.02.2019
Схем для автоматического наполнения емкости (бочки, бака) водой, большей частью для дачно/садово/огородного применения, в интернете множество. Есть и старые, разработанные еще в прошлом веке схемы, и их более современные аналоги. Наиболее популярные схемы используют свойство воды проводить электрический ток. В емкости размещают, обычно, три электрода - общий, верхнего уровня, и нижнего уровня. В качестве общего электрода иногда используют саму емкость, если она металлическая. Ток через эти электроды вызывает их разрушение за счет электролиза. И тем более быстрое, чем выше ток. Но самое главное, почти все эти схемы предполагают размещение управляющего насосом реле на одной плате с низковольтной частью схемы. А ведь емкость может располагаться на улице. Кроме того, на открытой местности нужно учитывать воздействие природных факторов (грозы, дожди, перепады температуры). Поэтому в описываемой конструкции особое внимание уделено электробезопасности и устойчивости к помехам.
Предлагаемый автомат разделен на две части - измерительную, которая размещается на самой емкости и питается от безопасного напряжения 5 В, и исполнительную, которая располагается в электрощите. При этом для подключения измерительного блока требуется двухпроводная линия, что удешевляет конструкцию. Схема автомата проста и его изготовление вполне под силу даже начинающим, или как конструкции "выходного дня". Поэтому описание будет довольно подробным, в расчете на новичков.
Сначала рассмотрим основной блок, измерительный. Вот его схема (по клику открывается в новом окне в полном размере).
Как и во многих подобных схемах, основой является RS триггер, который переключается при снижении уровня воды ниже заданного уровня (емкость пуста) и при достижении верхнего уровня (емкость наполнена). Элемент DD1.2 исключает запрещенные состояния триггера и включение насоса при полной емкости. Элемент DD1.5 представляет собой выводы питания микросхемы, которые обычно не показывают на схемах, но в данном случае это нужно. Следует особо отметить, что использование триггеров Шмитта необходимо. Причина в том, что почти вся современная логика является буферизованной и ее выходные каскады не предназначены для работы в линейном режиме. А в данной схеме напряжения на входах меняются довольно медленно, что приводит к сквозным токам в буферных выходных каскадах.
Датчиками уровня являются погруженные в воду отрезки провода. Я использовал медный одножильный провод, без изоляции, диаметром 3 мм. Ток через электроды не превышает 5 мкА, благодаря использованию CMOS логики, что снижает до минимума разрушение электродов. Для защиты от статического электричества и наведенных ударами молний высоковольтных выбросов используются защитные диоды. Причем не только в цепях электродов-датчиков, но и в цепи питания, которая может быть довольно протяженной. Дополнительная защита, в том числе, от высокочастотных помех, обеспечивается конденсаторами и включенными последовательно со входами микросхемы резисторами.
В цепи питания микросхемы, кроме защитного диода, стоят керамический конденсатор и резистор, которые обеспечивают дополнительную защиту от помех по соединительной линии. Кроме того, конденсатор гасит довольно большие импульсы тока потребления при переключении элементов микросхемы.
Наиболее интересным моментом является способ передачи информации о необходимости включения насоса по той же цепи, по которой поступает питание схемы. В статическом режиме потребляемый микросхемой ток не превышает 20 мкА для диапазона температур от -40 до +85 градусов (2 мкА при комнатной температуре). Срабатывание триггера, через транзистор VT1, подключает параллельно питанию дополнительный резистор, что вызывает значительный рост тока в цепи питания. Это и позволяет исполнительному блоку определить необходимость включения насоса. Нужно отметить, что такой способ передачи питания и информации по одним и тем же линиям не нов, но в любительских конструкциях используется редко. Теоретически, можно было исключить транзистор и подключить резистор прямо к выводу микросхемы. Однако этот вариант не использован из соображений надежности.
Если резистор R5 подключить не выходу 11, а к выходу 3, микросхемы, то вместо автомата наполнения емкости получим автомат откачивания воды, например, из ямы. Насос будет включаться при достижении водой верхнего электрода и отключаться, когда вода опустится ниже уровня нижнего электрода.
Теперь перейдем к исполнительному блоку. Он тоже прост (схема по клику открывается в новом окне в полном размере).
Основой является датчик тока на резисторе R1 и транзисторе VT1, который включает реле. Резистор R2 защищает транзистор при коротком замыкании цепи датчика на землю. Здесь тоже использован защитный диод в цепи питания/данных датчика. В остальном схема не имеет каких то особенностей и питается от источника 5 В с надежной изоляцией от питающей сети (можно использовать ненужное зарядное устройство от телефона). Максимальный ток потребления, большей частью, определяется использованным реле и, в данном случае, не превышает 100 мА. А вот выбор реле очень важен.
Большинство дешевых китайских реле имеют один из выводов контактной группы расположенный между выводами обмотки. Что повышает риск проникновения высоковольтного выброса из сети 220 В в низковольтную часть. Тем более, учитывая тот факт, что фрезеровку пазов на плате при их использовании предусматривают редко. Использованное реле Omron имеет выводы контактной группы расположенные далеко от выводов обмотки. Что позволяет легко соблюсти требования стандартов электробезопасности. Возможно применение реле TE (например, RY210005), которые имеют аналогичный конструктив. Если используется обычное, а не высокочувствительное, реле, то нужно использовать транзистор с большим допустимым током коллектора и соответствующий диод вместо 1N4148.
Основной, измерительный блок, размещается в герметичном корпусе (можно просто залить компаундом) и размещается на емкости. Подключается к исполнительному блоку двужильным проводом. Можно использовать практически любой, даже телефонную лапшу. Нужно сказать пару слов о размещении датчиков-электродов в емкости.
Обратите внимание, электроды не должны, например, для повышения жесткости конструкции, соединяться какими либо перемычками, даже изоляционными. Электроды, после выхода из корпуса блока, должны просто свисать в емкость. Чувствительность схемы такова, что даже оставшаяся на диэлектрической перемычке влага воспринимается как погруженный в воду электрод. Кстати, это верно для большинства подобных устройств. Если емкость, например, бак, расположен на открытом воздухе, то нужно следить, что бы на поверхности воды не появлялись плавающие водоросли, которые могут замыкать электроды и мешать нормальной работе. Достаточно раз в сезон почистить емкость. Расстояние между электродами может быть 1-2 см. Общий электрод и электрод нижнего уровня лучше не опускать до дна емкости, это позволит создать аварийный запас воды на случай отключения электроснабжения.
Измерительный блок собран на двухсторонней печатной плате размерами 12х23 мм (используется микросхема в корпусе SOIC-14) без крепежных отверстий (под заливку), а исполнительный блок на односторонней размером 33х46 мм с крепежными отверстиями. Если захотите повторить конструкцию, то скорее всего у Вас получатся другие платы, например, будут использованы не SMD, а выводные компоненты и другое реле. Поэтому их чертежи, а так же Gerber файлы, не привожу, они простые. Если хотите, можете заказать уже собранные и проверенные платы или комплекты для самостоятельной сборки у меня. Можете написать по электронной почте или на форуме.
Такой автомат наполнения емкости уже несколько лет надежно работает у меня на даче и на приусадебных участках родственников и их знакомых.
Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме