Stavebnice č.1 – HLADINA AMARO

Zkušenosti ze stavby

Stavebnice HLADINA AMARO je navržena jako pilotní projekt, který je přednostně určen pro mladé radioamatéry. Hlavním cílem je seznámit čtenáře s elektronikou jako takovou. Jsou zde použity součástky dobře dostupné, všechny jsou vývodové proto, aby si zájemci o stavbu mohli osvojit pájení a také oživování jednotlivých částí zapojení.

Konkrétně tato konstrukce může sloužit jako ovládání malého 12V čerpadla například pro napouštění nádrže s vodou, nebo naopak pro čerpání vody z jímky. Využití může najít třeba u zahradního jezírka, vodotrysku nebo podobně.

Celá konstrukce je provedena technikou pájení vývodových součástek nazývaných THT. Toto označení pochází z anglického Through – Hole Technology – (technologie průchozích děr). Všechny součástky mají vývody, které procházejí deskou (označovaná DPS – deska plošných spojů). Součástky se umisťují na vrchní stranu (označovaná TOP) nebo také strana součástek. Pájení se provádí na spodní straně – označovaná BOT nebo také strana pájení.

Jako každá profesionální konstrukce musí obsahovat i dokumentaci, která je důležitá při oživování konstrukce, což je vlastní uvádění do chodu. Tak i naše stavebnice má k dispozici dokumentaci která bude splňovat všechny požadavky a skládá se z následujících částí:

Popis systému:

Schéma zapojení
Osazovací předpis TOP, případně BOT, je-li nutný
Rozpiska použitých součástek
Technické parametry
Data pro výrobu DPS

Výkresy mechanických částí:

Data pro tisk dílů pro 3D tiskárnu (jsou-li použita)
Aplikační poznámky – jsou-li nezbytné nebo vhodné
Seznam použité literatury

* – u jednoduchých konstrukcí nemusí být uvedeny všechny položky – podle složitosti

Popis systému:

Jedná se o řídicí jednotku pro ovládání malého 12V čerpadla s různým využitím.

Jako spínací prvek pro ovládání čerpadla je použito relé, které má vyvedeny přepínací kontakty, takže si můžeme zvolit, zda čerpadlo bude doplňovat vodu nebo naopak odčerpávat. Jelikož je stavebnice prvotně určena začínajícím amatérům, je zvoleno napájení 12V, které je napětím bezpečným ve všech prostředích, tedy i v mokru. Z důvodu práce začátečníků je proveden i návrh plošného spoje, kde jsou zvoleny signálové cesty širší, než se obvykle navrhují z důvodu snadnějšího pájení. Někdy příště si vyzkoušíme konstrukci SMT (Surface Mount Technology) – povrchová montáž, kdy součástky nemají vývody procházející deskou a potom můžeme prakticky porovnat výhody a nevýhody obou konstrukcí.

Celé zařízení pracuje podle zapojení na obr.1.

Na základě informace o stavu hladiny v nádrži spíná čerpadlo pomocí relé, které je ovládáno následující logikou. Jsou-li obě sondy na suchu, sepne čerpadlo, které dopouští vodu do nádrže. Čerpadlo vypne v okamžiku, kdy obě sondy MIN i MAX (D, H)budou ponořeny ve vodě. Je-li hladina vody mezi oběma sondami, nedochází k žádné změně stavu sepnutí relé. Z důvodu ochrany čerpadla před během na sucho, například když zdroj vody není dostatečný, je čerpadlo zároveň řízeno časovačem, který je nastavitelný zhruba od 30 ti vteřin asi do 5 ti minut. Nedojde-li v této době k naplnění nádrže, čerpadlo se vypne.

Časovač je tvořen známým obvodem NE555 v zapojení jako monostabilní klopný obvod

(MKO). Logiku spínání zabezpečuje 4 násobné logické hradlo NAND tvořené IC2 A až D.

Relé spínápomocí tranzistoru ovládaným z výstupu MKO. Obsluhu sond zabezpečují dva komparátory IC3C a IC3D, a generátor střídavého napětí realizovaný dvěma operačními zesilovači IC3A a IC3B.

Sondy jsou napájeny střídavým napětím z toho důvodu, aby působením stejnosměrného proudu nedocházelo k elektrolýze vody a rozkladu a ubývání elektrod.

Střídavé napětí z výstupu – pin1-IC3A je vedeno přes oddělovací kondenzátor C7 a omezovací odpory R6 a R9 na elektrody umístěné v nádrži. Kondenzátory C8 a C9 mají stejnou funkci jako C7 a jsou zde umístěny pro to, aby se oba kanály sond vzájemně neovlivňovaly.

Není –li sonda potopena, střídavý signál o amplitudě asi 6V je veden přes kondenzátor C15 (u druhé sondy C16), kde je usměrněn diodami D2 a D3 a filtrován kondenzátorem C11 na úroveň asi 6.5V. Dělič napětí R13 a R14 snižuje tuto úroveň asi na 4.0V kde je filtrováno C17 a přivedeno na záporný vstup komparátoru IC3C. Kladný vstup tohoto komparátoru je připojen na kladné napětí tvořené děličem R19 a R5 a které je asi 2.2V. Vyšší napětí na záporném vstupu než na kladném nám způsobí, že na výstupu komparátoru je napětí blízké nule.

Při potopení sondy do vody dojde vlivem odporu vody ke zkratování střídavého signálu proti signálové zemi (GND) na které je připojena třetí společná sonda. Vlivem toho se napětí na záporném vstupu komparátoru skokově sníží asi na 1V.

Je-li nižší než napětí na kladném vstupu, komparátor na výstupu IC3C sepne do vysoké úrovně a na pinu 8 bude kladné napětí asi 10V.

Druhá sonda pracuje naprosto totožně. Logické signály z výstupu obou komparátorů jsou dále logicky vyhodnocovány hradlem NAND v provedení CMOS. Hradla IC2A a IC2B slouží jako invertory a hradlo IC2C sepne zápornou hranou vzniklou při nabíjení kondenzátoru C5 , který je připojen na vstup spouštění (trigger) obvodu NE555. v okamžiku když obě sondy jsou na suchu.

Časovač je tvořený IC1, který je zapojen téměř katalogově jako MKO. Časová konstanta je dána rezistory R1 a R3 spolu s kondenzátorem C1.

Hradlo IC2D provádí vypnutí časovače přivedením napětí o nízké úrovni na resetovací vstup obvodu IC1 v okamžiku, když jsou obě sondy potopené.

Diody D5 a D6 slouží k indikaci stavu sond. Svítí, když sonda je na suchu.

Relé RE1 je spínáno pomocí tranzistoru Q1, který je ovládán z výstupu č3 časovače IC1 přes omezovací odpor R8. Tranzistor NPN tak uzemní druhý vývod cívky relé a tím dojde k sepnutí. Dioda D8 nám indikuje sepnutí relé a dioda D7 je ochranná (viz text níže).

Schéma zapojení:

Zleva jsou svorky pro připojení sond, označované D, C a H. Společná sonda je označena písmenem C – jako COM (elektroda) a musí být umístěna co nejníže, pod úrovní dvou dalších elektrod. Sonda D jako dolní – určuje minimální úroveň hladiny v nádrži. Sonda nebo také elektroda H jako horní – určuje maximální hladinu v nádrži.

Časovač je tvořen stále hojně používaným obvodem NE555, označený jako IC1 a zapojeným jako monostabilní klopný obvod (MKO) [3]. Dojde-li k aktivaci signálu ON (přechod z vysoké úrovně na nízkou) na vývodu 10 IC2C. Kondenzátor C5 se vybije a tím dojde ke spuštění MKO. Na vývodu č3 označeném jako Q je vygenerován kladný signál, který přivádíme přes rezistor R8 na bázi tranzistoru Q1. Ten nám sepne relé RE1 na předem nastavenou dobu, kterou nastavuje RC člen tvořený kondenzátorem C1 a rezistorem R1 a proměnným rezistorem (trimrem) R3. Tato časová konstanta označovaná jako Time-up je nastavitelná v rozmezí asi 25 až 260 sekund. Bude-li někdo požadovat jiné časy musí změnit hodnoty R1, R3 a C1. Rezistory je vhodné zachovat a při prodloužení času stačí k C1 připojit další kondenzátor a tím se čas prodlouží.

Celková doba sepnutí se počítá podle vzorce:

t=1.1 * R * C

Kde:

(t) je výsledný čas sepnutí [sec]
(R) je odpor (R1 + R3) [Ω]
(C) je kapacita kondenzátoru(C1) [F]

Kdo nechce počítat a převádět, může použít kalkulačku na výpočet času viz níže.

Pro krátké časy lze použít monogram obr.3

Vypnutí časovače zabezpečuje signál OFF, který nastaví resetovací pin IC4 označený R na vývodu č.4 na nízkou úroveň a tím resetuje výstup i celý časovač. Celý cyklus se opakuje snížením úrovně na vývodu TR vybitím kondenzátoru C4 signálem ON.

Spínací obvod relé tvořený tranzistorem Q1 a pomocnými obvody a pracuje následovně:

Přivedením kladného napětí na bázi Q1 se tranzistor otevře a sepne relé RE1. Dioda D7 je nutná z důvodu potlačení záporných špiček napětí, které vznikají na cívce relé, která se chová jako indukčnost a podle typu relé vznikají bez této diody napěťové špičky až -1000V, které mohou nadělat množství problémů s citlivou elektronikou.

Dioda D8 s omezovacím odporem R21 nám signalizuje červeně sepnutí relé.

Přepínací kontakty jsou vyvedeny na konektor, takže změnit logiku spínání lze jednoduše tak, že čerpadlo spínáme pomocí kontaktu COM a NO nebo obráceně pomocí rozpínacího kontaktu COM a NC.

Dioda D9 s ochranným rezistorem R22 nám signalizuje zapnutí napájení. Kondenzátory C6 a C13 jsou takzvané blokovací kondenzátory a měly by být umístěny co nejblíže pouzder IC2 a IC3.

Technické parametry:

Napájecí napětí	12V
Odebíraný proud	10mA
Max. spínaný proud	8A/12V
Napětí sond	⁓5V AC 1,7kHz
Proud sond	<1mA
Odpor spínání sond	<50 kꭥ

Aplikační poznámky:

Zařízení je nejlépe osazovat i oživovat po částech. Začneme od konce obvodem časování, obvodem relé a napájecích a signalizačních obvodů. Nakonec osadíme a oživíme IC1 a IC2. Po kontrole pájení můžeme připojit napájení. Mně se při oživování osvědčilo napájení s možností omezení výstupního proudu s nastavením proudu asi na 100mA. Kdo nemá takový zdroj k dispozici je vhodné pro první spuštění připojit tak, že kladný pól zdroje připojíme přes automobilovou žárovku 12V 5W. V případě, že někde máme zkrat nebo něco špatně – žárovka se rozsvítí ale nic neshoří ani se nezničí. Z praxe můžu dosvědčit, že například zapojení LED bez omezovacího odporu nejen že LED nenávratně zničí, ale může nastat i exploze LED, která pěkně vyleká.

Na výstup relé zásadně nepřipojujte spotřebiče se síťovým napětím 230V !!!

Jednak relé není dimenzováno na toto napětí a ani DPS není na toto napětí navržena !!!

Hrozí tak nejen zničení celého zařízení, ale hlavně hrozí úraz elektrickým proudem !!!

Zařízení je určeno pouze pro zapojení na 12V DC (stejnosměrný proud). Připojení na střídavé napětí, byť z transformátoru a bez usměrňovače, opět povede k destrukci zařízení !!

Popis výroby sond:

Pro začátek nebo chceme-li zařízení jenom odzkoušet stačí sondy udělat pouze rozholením kabelu. Vhodný kabel je například kabel CYKY 2.5mm nebo 1.5 s příslušným počtem žil. Například pro 2 sondy v nádrži potřebujeme tří -žilový kabel. Společnou sondu (nejdelší) uděláme ze žlutozeleného vodiče, sondu L z modrého a sondu H z hnědého vodiče. Způsob výroby je patrný z fotografie.

Pro profesionální vzhled si sondu můžeme vyrobit z nerezového drátu nejlépe o průměru 3mm, který se dá koupit v potřebách pro svážení. Drát upravíme na potřebnou délku. Spodní konce je možno zabrousit do špičky, ale není to nutné. Na jednotlivé dráty je vhodné nasadit smršťovací bužírku a nechat volnou pouze špičku v délce asi 10mm. Toto opatření je vhodné hlavně kvůli slimákům, kteří by na elektrodách mohli udělat zkrat a tím je vyřadit z činnosti. Druhé konce je nutno upravit pro připojení kabelu. Nejjednodušší je propojit sondu lustr svorkou (čokoláda) nebo je možno konec zploštit na kovadlině a s vodičem propojit kabelovým očkem a šroubkem. Nejelegantnější je vodič na nerez přibodovat bodovačkou, jako se bodují niklové propojky na Lion články. Nejnovější metodou je ultrazvukové bodování, ale to už vyžaduje profesionální vybavení.

Ať již použijeme jakýkoliv způsob propojení sond s vodiči, je vhodné tyto spoje zalít zalévací hmotou. Vhodné jsou dvousložkové zalévací hmoty na bázi epoxidu nebo polyuretanu. Dá se také použít dvou komponentní epoxidové lepidlo, které je nejsnáze dostupné. Neprovedeme-li zalití, po týdnu poznáme, co dokáže koroze ve vlhkém prostředí a již výše citovaní slimáci.

Poznámka č.1

U zdroje střídavého napětí pro sondy tvořeného operačním zesilovačem IC3A a IC3B a rezistory R16, R18 a kondenzátory C12 a C14. Rezistory R10 a R7 a blokovací kondenzátor C3 tvoří přepětí pro kladný vstup IC3B.

Kmitočet oscilátoru není kritický a může být nastaven od asi 100Hz až do několika kHz. Kmitočet se řídí velikostí kondenzátoru C12 a C14. Zkoušeli jsme na této pozici keramický kondenzátor o kapacitě 2n2, kde kmitočet byl 1.69 kHz, fóliový kondenzátor 6n8, kde kmitočet byl 885 Hz a keramický kondenzátor 12n, kde kmitočet byl 500Hz. Při ověřování funkčnosti se nic neměnilo. Zařízení fungovalo bez problémů. Při 500Hz byl průběh napětí na osciloskopu pěkně pravidelný.

Společná elektroda COM je připojena na signálovou i napájecí zem označovaná jako GND z anglického ground. Na snímací elektrody D a H jsou přes oddělovací kondenzátory C15 a C16 z výstupu operačního zesilovače (OZ) IC3A přiváděno střídavé napětí o frekvenci 500Hz až 2kHz. Tento signál je usměrněn diodami D2 a D3 a vyfiltrován kondenzátorem C11. Rezistor R13 a R14 spolu s kondenzátorem C17 nám tvoří dělič napětí, odkud je toto napětí přiváděno na záporný vstup komparátoru IC3C.

Rezistory R19, R5 a C4 tvoří napěťový dělič pro kladné vstupy komparátoru IC3C a IC3D.

Je-li na záporném vstupu komparátoru nižší napětí než na kladném, je na výstupu (PIN8) napětí blížící se napájecímu napětí(logická H). Je-li záporný vstup kladnější, výstup komparátoru má napětí blížící se nule (logická L).

Druhý komparátor tvořený IC3D pracuje naprosto shodně.

Logika spínání:

Když máme obě sondy ponořené, výstupy obou komparátorů mají na výstupech plné napětí okolo +10V. Logiku spínání zajišťují hradla NAND, které vytvoří signál ON (IC2C) a signál OFF (IC2D), které řídí časovač IC1. Hradla IC2A a IC2B jsou invertory signálu z komparátoru IC3C a IC3D a celý obvod pracuje podle následující tabulky.

Pravdivostní tabulka NAND:

Poznámka č.2

Sériové odpory R6 a R9 byly omylem na jednom vzorku osazeny hodnotou 47k namísto 100k, které jsou uvedeny ve schématu i v rozpisce. Na funkci se opět nic nezměnilo, zařízení bylo plně funkční podle zadání a sondy spínaly již při odporu vody kolem 50kΏ.

Poznámka č.3

Postavili jsme v kroužku elektroniky při ZŠ netvořice 5 vzorků. Největší problém bylo určit hodnotu rezistorů podle barevného značení. Je dobré si kódování natrénovat podle nějaké tabulky na internetu nebo použít kalkulačku například v TME [10]. Proto jsme do rozpisky přidali obrázky, protože ne každý má možnost si hodnotu rezistorů změřit multimetrem.

Před pájením je dobré označit si hodnoty odporů na papírek, kterým jsou rezistory spojeny. Jelikož vývody jsou dostatečně dlouhé je lepší rezistory vyštípnout kleštičkami, než se snažit je odrhnout. Vývody se nám ohnou a potom je musíme rovnat. Kondenzátory je vhodné osazovat tak, abychom viděli po zapájení na jejich hodnotu.

Pájíme vždy tak, že pájkou ohříváme vývod součástky spolu s pájecí ploškou a přidáváme trubičkový cín. Nikdy nedáváme cín na hrot pájky a pak nepřenášíme na pájené místo. Takto dochází k rychlé oxidaci cínu čímž pak vytváříme takzvané studené spoje. Trubičkový cín sice obsahuje tavidlo, ale pro začátek je vhodné ještě přidávat nějaké tavidlo navíc. Lze použít kalafunu nebo FLUX, které pájení značně usnadňují. Musíme ale dávat pozor na to, že zbytky fluxu jsou vodivé a můžou nám ovlivnit funkci celého zařízení.

Po zapájení všech součástek je vhodné stranu pájení umýt rozpouštědlem, např. lihem. Nakonec hotovou a odzkoušenou desku nalakujeme pájecím lakem, který získáme rozpuštěním kalafuny v lihu nebo jiného rozpouštědla. Na umývání a lakování desky je možné použít starý kartáček na zuby.

Poznámka č.4

Tranzistor Q1 pro spínání relé může být téměř libovolný typ NPN který má kolektorový proud alespoň 100mA a napětí Kolektor -Emitor alespoň 30V. U relé nezapomeňte osadit diodu D7, která omezuje záporné špičky při rozpínání relé. Tyto špičky nám potom mohou poškodit celé zařízení.

Na konektor X2-3 jsou vyvedeny přepínací kontakty relé RE1. Společný kontakt je označen COM, spínací kontakt NO (Normaly Open) a rozpínací kontakt NC (Normaly Close).

Kontakty relé jsou dimenzovány na maximální proud DC 8A. Tento proud se nesmí překračovat.

Poznámka č.5

Diody D5 a D6 nám ukazují stav jednotlivých sond. Při zaplavení sondy příslušná dioda nesvítí. Jakmile se sonda ocitne na suchu – příslušná dioda se rozsvítí.

Při zapnutí napájení a nepřipojených sondách se rozsvítí zelená LED D9 indikující připojené napájení 12V, rozsvítí se i obě žluté diody D5 a D6, signalizující stav sond a sepne rele RE1, indikované červenou LED D8, která zhasne až po nastaveném time out (nastavuje se odporovým trimrem R3 ). Čas má být od 30 sec do 6ti minut.

Čerpadel na 12V je v prodeji celá řada. Stačí vybrat vhodné pro naši potřebu.

Celé zařízení může najít uplatnění například pro doplňování vody do sudu na zalévání z potoka, na doplňování vody do nádrže v karavanu. Jeden student kdysi využíval toto zařízení ve svém projektu splachování WC pomocí dešťové vody. Možností je celá řada a budeme rádi za zpětnou vazbu od vás na co všechno se dá stavebnice použít.

Soupiska součástek: