Zapojení realizuje automatické zalévání květin bez nutnosti použití Arduino nebo sensoru vlhkosti. Vše obstará pár rezistorů, „drátů“, tranzistorů a dalších součástek. Celé zapojení jsem pro naše účely zjednodušil (originální zapojení obsahovalo i bistabilní klopný obvod RS).
Jak to funguje?
Mnoho sensorů funguje na principu změny elektrické veličiny, tak je tomu i v našem případě. Víme, že voda je vodivá (pokud není destilovaná). Pokud je v půdě v květináči více vody, má půda menší odpor (lépe vede elektrický proud). Pokud je půda suchá, elektrický odpor se zvyšuje. Sensor vlhkosti tedy funguje na principu změny elektrického odporu. Schéma zapojení je na obrázku číslo 1.
V naší simulaci je květináč s rostlinou realizován rezistorem, jehož elektrický odpor budeme měnit. Rezistor jsem pojmenoval „Sensor_vlhkosti“. Jeho hodnota je nastavená na „{R}“. Složené závorky místo číselné hodnoty značí, že je při simulaci použito více hodnot odporu („parametrická analýza“).
Tranzistory Q1 a Q2 jsou naše již dobře známé BC547 a tvoří tzv. „Schmittův klopný obvod“. Emitor tranzistoru Q1 je přes odpor zapojen do báze tranzistoru Q3. Pokud je tranzistor Q3 sepnut, je spojen okruh s relé a skrz relé může protékat el. proud. Relé si můžeme představit jako vypínač řízený el. proudem. Při průchodu elektrického proudu se relé „přepne“. Toto přepnutí může realizovat zapnutí/vypnutí jiného prvku (v našem případě čerpadla pro zalévání).
Prvkem v relé, který umožňuje přepínání je induktor (lidově „cívka“). Pokud skrz induktor protéká elektrický proud, vytváří se v jeho okolí magnetické pole. Toto magnetické pole uvnitř relé přitáhne páčku a tím způsobí sepnutí/rozepnutí, proto v naší simulaci pracujeme pouze s induktorem (zbytek je mechanický princip).
Induktor do obvodu přidáme pomocí ikony, kterou jsem zvýraznil na obrázku číslo 4 zeleným kolečkem. K induktoru je paralelně připojena dioda. Dioda slouží jako ochrana spínacího tranzistoru (Q3). Při přepínání induktoru dochází k vysokonapěťovým špičkám, které by mohly zničit tranzistor.
Celý princip obvodu je následující: vysychání půdy způsobí zvýšení el. odporu, to sepne relé. Sepnuté relé spustí čerpadlo, které do květináče naleje vodu. Pokud odpor klesne, skrz relé přestane téct el. proud, to se vypne a voda přestane téct. To se opakuje stále dokola.
Schmittův klopný obvod
V předchozí části jsem zmínil „Schmittův klopný obvod“. Toto zapojení funguje jako komparátor s hysterezí. Komparátor znamená, že jsou porovnávány 2 hodnoty a na výstupu je informace, která z hodnot je vyšší. Hystereze je jakési zpoždění při přechodu zpět.
Pokud bychom neměli v našem obvodu hysterezi, relé by se spínalo a vypínalo velmi rychle. V momentě zapnutí čerpadla by voda způsobila pokles elektrického odporu a čerpadlo by se okamžitě vyplo. Za relativně krátkou dobu by však elektrický odpor opět vzrostl, tím by se spustilo čerpadlo, voda by snížila odpor, a to by čerpadlo opět vypnulo…
Hystereze způsobí, že pokles el. odporu pod hranici sepnutí nevyvolá okamžité vypnutí čerpadla. Simulaci Schmittova klopného obvodu vidíme na obrázku číslo 3, na obrázku číslo 2 vidíme detail obvodu (jedná se o zjednodušený dnešní obvod, „Sensor_vlhkosti“ byl nahrazen zdrojem napětí). Zdroj napětí je nastaven na sinusový průběh. V simulaci vidíme, že výstupem je obdélníkový průběh napětí.
Simulacev LTspice
Nyní si na dnešním obvodu nastavíme onu parametrickou analýzu. V prvním kroku klikneme na ikonu „op“ (viz. červené kolečko na obrázku číslo 4). Do dialogu, který se objeví zadáme údaje jako na obrázku číslo 5.
Tím programu zadáme, že provádíme parametrickou analýzu. V našem případě budeme parametrizovat velikost el. odporu rezistoru „Sensor_vlhkosti“. Hodnoty, které budeme zkoumat jsou od 1kΩ do 100kΩ po krocích velikosti 1kΩ. Jakmile máme zadáno, klikneme na ikonu simulace. V dialogu, který se objeví, zvolíme záložku „DC opt pnt“ (viz obrázek číslo 6), poté potvrdíme stiskem „OK“.
Jakmile se objeví okno s výsledky, označíme si sondou napětí mezi „Sensor_vlhkosti“ a GND. Poté si zjistíme hodnotu proudu tekoucí skrz induktor. Můžeme vidět, že k nárůstu proudu tekoucí induktorem dochází při odporu cca 36kΩ. Výsledek simulace vidíme na obrázku číslo 7.
Závěr
Celé schéma lze nalézt na této webové stránce. Velmi děkuji p. prof. Husákovi za pomoc a inspiraci a p. doc. Vedralovi za kontrolu. V příštím díle se podíváme na to, jak tranzistory položily základ dnešních počítačů.
