Крышка для аквариума с электронной "начинкой"

Выбирая аквариум, я сначала хотел купить для него готовую крышку со встроенным светильником (дальше это устройство я буду называть просто светильником, т.к.главная его функция - освещения аквариума), но потом, когда посмотрел начинку того, что было на витрине, решил, что мне нужен аквариум, а не электрический стул. Никакой защиты от влаги, провода внутри лежат как попало, выключателей нет, короче, кошмар, причем этот кошмар стоит дороже аквариума. Короче, я решил сделать самодельный светильник, к тому же, если его делать самому, внутри можно и еще кое-что спрятать.

Первая проблема с изготовлением светильника возникла еще до того, как я начал его делать. Сначала я решил найти подходящий источник света для освещения. От ламп накаливания отказался сразу - большая потребляемая мощность и сильный нагрев, который может покоробить пластмассу (именно из нее я собирался делать корпус светильника), ну и цвет свечения меня не очень устраивал. Поэтому я решил купить лампу дневного света. Измерил аквариум - длина его 40см и поехал в магазин. Там-то меня и поджидал сюрприз: самая короткая отечественная лампа дневного света имеет длину 43см. Импортные на порядок дороже и никто не знает, какие к ним использовать пусковые устройства. Полазил по справочникам, по и-нету, кое-что нашел по подключению импортных ламп, снова поехал в магазин. Когда уже хотел брать лампу в виде кольца, обратил внимание на энергосберегающие лампы. Это те же лампы дневного света, но вкручивающиеся в патроны вместо обычных ламп накаливания и содержащие внутри пусковые устройства. Вот на такой лампе производства фирмы "Космос" я и остановился. Мощность 11Вт и на коробке написано, что это соответствует по яркости свечения шестидесятиваттной лампе накаливания. Конечно, с 60Вт ее сравнить нельзя, но сороковку она вполне заменяет. Стоит она дороговато, но производитель утверждает, что она намного долговечнее, да и за время эксплуатации будет немалая экономия за счет значительно меньшего энергопотребления.

После выбора лампы я задумался, какие функции, кроме освещения, можно возложить на мой светильник. Было решено, что внутри него должны разместиться: собственно, сам светильник, электронный термометр, терморегулятор и компрессор. Сразу скажу, что компрессор впоследствии вернулся на свое законное место - на стену, т.к. пластмасса является прекрасным резонатором и все мои попытки звукоизоляции компрессора ни к чему не привели. Но нет худа без добра: разместив компрессор в светильнике я вынужден был решить проблему оперативного подключения и отключения шлангов. И решение было найдено. Я взял систему для капельниц, снял с нее штуцер, на который одевается игла и саму иглу. Пластмассовый корпус иголки отрезал, натянул его на трубку, на другую - штуцер. Получилось герметичное надежное соединение, которое можно мгновенно разъединить.

Термометр и терморегулятор я объединил на одной плате. Для простоты и экономии времени (светильник был нужен как можно быстрее) я решил отказаться от цифрового индикатора и поставил стрелочный. Для аквариума большой диапазон измерения температур не нужен, поэтому для увеличения точности показаний стрелочного индикатора диапазон измерения температуры выбран от 18 до 36 градусов. Верхний предел такой высокий из-за того, что мне уже приходилось однажды поднимать температуру в аквариуме до 35 градусов - занес в аквариум ихтириофтириоз, а лучшее лечение этого заболевания - нагрев до 33-35 градусов, если, конечно, такую температуру переживут обитатели аквариума и поддержание такой температуры в течение 3-5 суток. Терморегулятор прекрасно обеспечивает такой режим. Может быть со временем я переделаю систему индикации и поставлю АЦП (тем более, что соответствующая БИС у меня есть), но пока мой термометр меня вполне устраивает. В общем, получилось вот что:

На рисунке:

1 - Ручка управления терморегулятором, совмещенная с выключателем обогревателя.

2 - Кнопка переключения режимов "измерение температуры" / "установка температуры".

3 - Светодиод - индикатор включения обогревателя.

4 - Шкала термометра / терморегулятора.

5 - Выключатель термометра / терморегулятора.

6 - Выключатель освещения.

7 - Выключатель компрессора.

А вот вид сверху:

На снимке видна открытая крышка для кормления и отверстия для охлаждения компрессора, которого там нет - цифры 2003 со странным знаком между ними :-) Видны разъемы на задней стенке корпуса:

1 - разъем датчика температуры.

2 - сетевая вилка обогревателя в своей розетке.

3 - сетевая вилка компрессора в своей розетке.

Сразу оговорюсь, что принципиальной схемы того, что спрятано внутри светильника в ее окончательном виде (вернее, схемы термометра и терморегулятора) у меня нет. Ее я нарисовал до того, как спаял плату и отладил. При отладке я изменил на бумаге далеко не все и теперь сам толком не знаю, что на плате соответствует схеме, а что нет. Поэтому здесь будет та схема этого устройства, которая есть у меня. Если Вы разбираетесь в электронике, Вы сможете повторить мой путь, если же знаний недостаточно, можно воспользоваться другими схемами, которых довольно много в литературе и в интернете, или вообще купить готовую "начинку" и встроить ее. Приводить здесь схему подключения выключателей компрессора и лампы я не буду - это сможет сделать любой старшеклассник и без моих подсказок. Я просто хочу поделиться своими идеями и буду рад, если кому-нибудь эта статья станет подспорьем в творчестве.

Когда я придумывал, что будет размещено в светильнике, первое, что пришло в голову - все электрические и электронные устройства аквариума должны управляться с одной панели, чтобы не приходилось искать выключатель светильника в дальнем углу, где-нибудь на проводе, а компрессор вообще выключать из розетки. Поэтому все органы управления размещены на передней панели.

Главное отличие моего "произведения" от того, что я видел в магазинах, это герметичная нижняя крышка светильника. К сожалению, я поздно понял, что ВСЯ нижняя крышка должна быть прозрачной. Размер оргстекла в светильнике хорошо виден на верхнем снимке. Такое решение создает область тени по краям банки, хотя, возможно, это и неплохо - в природе поверхность водоема тоже освещается неравномерно. Еще одно серьезное отличие - наличие крышки для кормления рыб. Обычно их делают только на больших аквариумах, однако снимать светильник при каждом кормлении - удовольствие не из приятных, даже если аквариум такой маленький, как мой.

Дополнение от 01.01.2009г. Недавно я все-таки переделал эту крышку: увеличил размер стекла и добавил таймер кормления. Кроме того, в освещении аквариума применена другая лампа. Обо всем этом я расскажу в статье "Крышка для аквариума, версия 2008".

Корпус светильника склеен из полистирола (или его аналога, на ценнике было написано ABS) такой же толщины, как и стекло. В моем случае это 4 мм. Это сделано из-за еще одной особенности светильника: он стоит "на ребре" стенок аквариума. Мне кажется, что это выглядит гораздо гармоничнее, чем нависающая сверху "шляпа". Чтобы светильник надежно держался, внутри, по периметру его корпуса приклеены сплошные полоски пластмассы, фиксирующие его по внутренней поверхности стенок аквариума. Кроме эстетики такое решение имеет и утилитарную функцию: конденсат, скапливающийся на поверхности светильника капает обратно в аквариум вместо того, чтобы стекать по стенкам, оставляя на них следы, причем хорошо, если только по внутренним стенкам :-)

Для работы я использовал два вида клея - оргстекло вклеивал клеем для наклейки потолочных плиток (прозрачный такой, польский, "Деколеп" называется), а все остальное клеил тем же полистиролом, растворенным в ацетоне. Такой клей работает и как замазка. Им герметизированы все стыки нижней крышки с боковыми стенками. Кстати, нижняя крышка сделана из такой же пластмассы толщиной 2 мм. Вся электроника закреплена с помощью приклеенных к нижней крышке и боковым стенкам пластмассовых пружинных фиксаторов и кронштейнов с нарезанной в них резьбой, также сделанных из этой пластмассы. Конструкцию фиксаторов я подсмотрел в импортной радиоаппаратуре. Это полоска пластмассы, один конец которой жестко прикреплен к основанию (у меня приклеен и усилен откосом), а на другом конце сделан выступ, который и удерживает фиксируемый элемент. Выглядит это приблизительно так:

Места внутри корпуса достаточно много, так что расположить начинку можно так, как подскажет фантазия, однако нужно помнить про то, что наводки от трансформатора и реле могут влиять на работу термометра и поэтому их неплохо бы расположить подальше. Я сделал так:

По периметру стекла сделан отражатель из такой же пластмассы, только еще более тонкой - 1 мм. Кстати, вместо нее можно использовать старые ненужные грампластинки. У меня лежит целая пачка виниловых дисков, я их использую как пластмассу. Слушать эти диски уже нельзя, запилены до невозможности, зато прекрасно режутся и легко клеятся. Повторюсь, лампа у меня энергосберегающая, люминесцентная, мощностью 11 Вт, поэтому греется она незначительно и вокруг нее можно смело применять пластмассу. В случае применения лампы накаливания пришлось бы решать вопрос с отводом тепла и выбором более теплостойких материалов. Отражатель изнутри оклеен фольгой. Фольга также приклеена и к верхней, съемной крышке светильника, той ее части, что находится над лампой. Кроме улучшения светоотдачи, это уменьшет нагрев корпуса.

Повторюсь, здесь далеко не все соответствует действительности. Не только номиналы могут отличаться, но и некоторые элементы могли появиться или исчезнуть при отладке. А сама схема здесь, а вот схема моего блока питания. Нумерация элементов сквозная. Элементы, которые необходимо подбирать при настройке или те, которые могут не соответствовать указанным номиналам, помечены на схеме знаком "*".

Трансформатор блока питания - с выходным напряжением около 14В при токе 50 мА

В качестве выпрямителя можно использовать любые диоды или готовые выпрямители, выдерживающие указанные ток и напряжение.

Датчик припаян к концу экранированного провода подходящей длины, снабженному разъемом для подключения к устройству. При этом верхний по схеме вывод должен быть припаян к центральной жиле, нижний - к оплетке. Ответная часть разъема установлена на задней крышке корпуса светильника.

Усилитель сигнала датчика, усилитель терморегулятора и компаратор - операционные усилители (ОУ). Я применил 153УД2 - они были под рукой. Можно использовать практически любые с соответствующими цепями коррекции - никаких требований к частотным характеристикам, собственным шумам и мощности нет, поэтому на схеме операционники показаны без указания номеров выводов - они зависят от выбранного типа усилителя. Разве что ограничение может внести имеющийся в наличии блок питания - в моем случае питание однополярное, 12 В. В качестве датчика использован диод VD2. Подойдет практически любой малогабаритный. Я пробовал КД521, КД522, КД503 и даже германиевый Д2 в миниатюрном корпусе. При замене диода приходится только корректировать усиление и смещение на входе усилителя сигнала датчика - не только разные типы, но и разные экземпляры одного типа диодов имеют разное прямое падение напряжения, а именно на его зависимости от температуры и основана работа большинства электронных термометров. Схема усилителя сигнала датчика была сделана на базе схемы аналогичного назначения, опубликованной в журнале "В помощь радиолюбителю" лет 15 назад, только там был преобразователь "Температура - частота", а я сделал "Температура - напряжение". На выходе усилителя мы получаем напряжение, пропорциональное температуре датчика.

Переменный резистор RP2 служит для управления терморегулятором. Им задается желаемая температура.

Самый важный и вместе с тем неудачный узел системы - усилитель сигнала датчика. Я собираюсь его переделывать, но пока расскажу о том, что уже работает. R1VD1C1 - стабилизатор питания датчика. R2 задает ток через датчик, а для того, чтобы напряжение на входе ОУ не было близким к одному из плеч питания (в данном случае общий провод выполняет роль отрицательного источника питания) используется стабилитрон VD2. Опорное напряжение, с которым сравнивается напряжение на датчике, снимается с RP1. Регулируя RP1 можно сдвигать диапазон измерения температуры. при этом наверняка придется подбирать R3, а может быть и установить дополнительный резистор в нижнем плече RP1. Резисторы R4 и R9 определяют коэффициент передачи усилителя. Для его увеличения нужно увеличить R9 или уменьшить R4, соответственно, для уменьшения - наоборот.

Терморегулятор состоит из компаратора, который сравнивает измеренную температуру с той, которая задана RP2 и исполнительного устройства - транзисторного ключа, который управляет реле. Резисторы R5 и R6 подбираются таким образом, чтобы напряжение, снимаемое с движка RP2 не выходило за пределы, соответствующие диапазону измеряемых температур. Как я уже писал, у себя я ограничился диапазоном от 18 до 36 градусов. Диапазон напряжений, соответствующий этим температурам будет изменяться в больших пределах в зависимости от настройки усилителя сигнала датчика и параметров использованного датчика. Поэтому сопротивления R5 и R6 могут отличаться на порядок от указанных выше. Операционный усилитель DA3 включен как компаратор. R7 - резистор положительной обратной связи, который вместе с R8 обеспечивает необходимый гистерезис (зону нечувствительности) - около одного градуса для уменьшения частоты переключения реле. Возможно, придется подбирать R8. Его увеличение приведет к уменьшению гистерезиса. Из-за того, что размах выходного напряжения на выходе компаратора меньше напряжения его питания и логический "0" может составлять 0.5 - 1 вольт, установлен диод VD4 с максимально большим прямым падением напряжения (около 0.7В) - перебрал несколько, благо, старых выпаянных диодов у меня хватает. R10 и R13 ограничивают ток базы ключей, R11 может понадобиться, если падения напряжения на VD4 недостаточно для надежного запирания VT1. Реле K1 подойдет любое на напряжение 12 В, с возможно меньшим током срабатывания. Я поставил реле от сгоревшего блока бесперебойного питания (UPS). Оно, правда, рассчитано на 24 В, но надежно срабатывает уже от 13 В, а т.к. на стабилизатор блока питания с выпрямителя идет около 16.5 В, то его вполне достаточно для управления реле. Параллельно обмотке реле включена цепочка - HL1R15 - индикатор работы нагревателя. Питание на реле подается через выключатель, совмещенный с резистором установки температуры, т.е. повернув ручку RP2 влево до щелчка мы полностью отключаем обогреватель. Контакты реле здесь не показаны. Обогреватель включен в сеть через контакты, работающие на замыкание.

В качестве индикатора температуры я использовал стрелочный индикатор уровня записи от отечественного магнитофона. Это не самый лучший вариант - у таких приборов шкала нелинейная и кроме того, что ее трудно отградуировать, еще и не очень удобно считываются показания. После градуировки шкала получилась такая:

Так как выходное напряжение ОУ не достигает уровня питающих напряжений, то рабочий диапазон выходного напряжения DA1 я постарался сделать близким к половине напряжения питания, т.е. к 6 В. Поэтому и "-" измерительного прибора я подключил к параметрическому стабилизатору VD6R14. Соответственно, в моем случае, температуре +18 градусов соответствует напряжение около 5.6 В. R12 и RP3 регулируют чувствительность индикатора и, соответственно, диапазон измерений. Нижний порог измерений (18 градусов) устанавливается регулировкой RP1, подбором R3 и, возможно, установкой дополнительного резистора в нижнем по схеме плече RP1. VD5 нужен для того, чтобы при включении и выключении стрелка не билась о левый ограничитель. Нажав на кнопку SB1 (она без фиксации) можно переключить индикатор с измерения температуры в аквариуме (выход DA1) на установку температуры регулятора - выход DA2 - это усилитель с коэффициентом передачи по напряжению 1. Он нужен для исключения влияния на устанавливаемое напряжение низкоомного узла индикации. Выставив требуемую температуру можно отпустить кнопку - на индикаторе снова будет температура воды, но при ее снижении ниже установленного порога приблизительно на полградуса автоматически включится обогреватель и выключится только после того, как температура будет на полградуса выше установленной.

Здесь все довольно просто. Сняв (аккуратно!!!) корпус индикатора, я удалил штатную шкалу и на ее месте закрепил листок бумаги такой же формы. После этого взял стакан и образцовый малоинерционный термометр. Круто сказано. Это был китайский тестер с термодатчиком и точностью до единиц градуса. Но ничего другого просто не было. Итак, взял я стакан и налил в него из крана воду температурой 18 градусов, контролируя ее тестером. Затем опустил датчик в воду и с помощью RP1 установил стрелку на начало шкалы. После этого налил воду с температурой 36 градусов и вращая RP3 выставил стрелку в конец шкалы. Эту операцию пришлось повторять несколько раз. Когда края шкалы были установлены, я стал наливать в стакан воду, каждый раз изменяя ее температуру на 1 градус: 18, 19, 20,...35, 36. При этом на листке, заменяющем шкалу делал отметки (точки) напротив конца стрелки тонким (очень тонким) фломастером. После градуировки я измерил длину стрелки (от конца до оси вращения) и снял отградуированный листок. Его я отсканировал и вставил в документ Word как картинку в натуральную величину. затем определил, где будет находиться ось стрелки прибора на основе своих измерений стрелки. Из этой точки построил линии до каждой точки шкалы, вернее, через каждую точку, немного длиннее. Построив окружность с тем же центром, но меньшим радиусом, белого цвета с белой заливкой, закрыл ею начальные части линий. Построив кольцо с тем же центром и большим радиусом, ограничил длину линий. Затем осталось только нанести надписи и распечатать. То, что получилось, вы видели выше. Приклеил шкалу на место, собрал индикатор - получилось красиво.

Провода в изоляции ПВХ, металлические выводы диода и оловянно-свинцовый припой не добавят здоровья рыбкам, поэтому имеет смысл датчик и провода гидроизолировать. Для этого припаянный к проводу кабель помещен в трубку от одноразовой системы капельницы (прозрачная, раза в два тоньше, чем применяемые в аквариуме). Все металлические детали датчика (выводы, оголенные провода, места пайки) покрыты лаком. Вроде бы лак безвредный. Датчик подтянут вплотную к концу трубки и место соприкосновения герметизировано растворенной в ацетоне пластмассой так, что пластмасса вошла в трубку на 1 см. После сборки датчик сушился на солнце неделю, чтобы улетучились пары растворителя.

Он один. из-за того, что падение напряжения на VD1 и VD3 зависят от температуры (особенно сказывается влияние последнего), прибор долго (около 2-3 минут) выходит на рабочий режим, при включении показания прибора оказываются заниженными на 0.5 - 1 градус. Чтобы обойти эту проблему, я думаю переделать входную цепь вот так. На схеме:

DA5 – 7905 - стабилизатор напряжения отрицательной полярности с фиксированным выходным напряжением -5В.
HL2 – АЛ307
VT4 – КТ315
R16 – 1 кОм
RP4 – 680 Ом

Не знаю, решит ли это проблему полностью, но стабильности должно добавить. Стабилизатор DA5 должен обеспечить стабильное смещение рабочей точки DA1 относительно питания. Дополнительная стабилизация тока через датчик обеспечивается стабилизатором VT4HL2RP4R16. Он должен выдавать ток около 1 мА, хотя, возможно, лучше оставить резистор, как это было сделано в первоначальной схеме.

И в завершение темы немного о коммутации. У меня три выключателя (температура, свет и воздух) включены независимо друг от друга, однако обогреватель лучше включать вместе с компрессором, чтобы вода лучше перемешивалась и нагрев происходил равномернее. Поэтому стоит подумать о том, чтобы выключатель термометра подключить после выключателя компрессора. Тогда при выключенном компрессоре термометр и обогреватель не включатся.