Прикладная аквариумистика

Электрические характеристики фотодиода ФД-24К позволили включить его в схему с операционным усилителем (ОУ) общего назначения с высоким входным сопротивлением. На входе ОУ КР140УД1208 реализован дифференциальный каскад с согласованной парой полевых транзисторов. Усилитель на микросхеме КР140УД1208 выбран для устройства благодаря своим оптимальным электрическим характеристикам (сопротивление нагрузки на выходе ОУ R_n > 2 кОм и высокая чувствительность по входу).

Рассмотрим электрическую схему устройства фотоколориметра на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Электрическая схема устройства фотоколориметра

Операционный усилитель DA1 – усилитель постоянного тока, на вход которого подключен фотодиод VD1. Фотодиод работает в этой схеме в режиме автогенератора, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию (фото ЭДС). Фотодиод подключен на инвертирующий вход ОУ (вывод 2 DA1) как генератор тока. ОУ преобразовывает ток в напряжение на выходе (вывод 6 DA1). Выход ОУ нагружен на портативный цифровой вольтметр PV1 типа М-830-В, индицирующий значения напряжения, зависящие от прозрачности (замутнения) воды.

Резистор R6 шунтирует вольтметр PV1 для защиты ОУ в случае обрыва контактов с вольтметром (при отключении вольтметра).

Выходное напряжение на выводе 6 DA1 рассчитывают по формуле:

U_вых= I_фд· R1 · J.

На выходе ОУ максимальное напряжение 10 В окажется при максимальном фототоке фотодиода VD1, то есть при проецировании светового потока от светодиодной лампы (или лампы накаливания) через кювету с чистой дистиллированной водой.

На рисунке 4.3 представлено действующее устройство, где исследуется прозрачность раствора соли 3 %.

Рис. 4.3. Готовое устройства в действии

При этом эксперименте показания вольтметра составляют 8,91 В. Это почти прозрачная, но не самая прозрачная жидкость. Таким образом, максимальное значение прибора PV1, включенного в режим измерения напряжения (~ 10 В), соответствует чистой воде. А минимальное, соответственно раствору определенной мутности. Запись показаний вольтметра осуществляют опытным путем при различных значениях коэффициента пропускания, которые фиксируют при разной мутности воды в аквариуме, в одно и то же световое время дня.

Световой поток в данном случае поступает от светодиодной лампы, которая уже снабжена линзой. Лампа освещения и устройство фотоколориметра зафиксированы тисками и струбциной на одном уровне. Это важно для точности измерения.

По той же аналогии исследуют мутность воды в аквариуме.

Налаживание. Налаживание сводится к установке устройства «в нуль», то есть к максимальным показаниям вольтметра (PV1) при исследовании заведомо прозрачного раствора дистиллированной воды, помещенного в 3-литровую банку (или иную подходящую кювету объемом 0,5–3 л). Эта корректировка осуществляется подбором сопротивления резистора R1.

О деталях. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25, MF-125. Оксидный конденсатор С2 сглаживает пульсации источника питания. Вместо вольтметра М830-В можно применить любой вольтметр (желательно цифровой) с пределом измерения постоянного напряжения 10–20 В.

Монтаж частей устройства. Светодиодную лампу EL1 закрепляют в корпусе портативного фонаря с отражателем, а сам фонарь жестко закрепляют в миниатюрных тисках (струбцинах) напротив фотодатчика. Фотодатчик закрепляют в тисках с другой стороны аквариума (кюветы с раствором) в любом подходящем компактном корпусе с линзой. Корпус фотодатчика устанавливают напротив источника света, выравнивая горизонтальную плоскость линейкой или строительным уровнем. Внешний вид закрепленных частей конструкции показан на рисунке 4.3.

Перспектива применения. Кроме рассмотренного варианта контроля мутности аквариумной воды предложенным способом можно эффективно измерять мутность и оптическую светопроницаемость любых других растворов.

Альтернативный вариант фотоколориметра. Кроме снятия показаний с помощью вольтметра PV1 можно использовать и другие средства параметрической сигнализации, например световую или звуковую индикацию, что расширит возможности устройства. Это несложно осуществить, собрав простую схему фотодатчика, представленную на рисунке 4.4.

Рис. 4.4. Электрическая схема фотодатчика на транзисторах

Фототранзистор VT1 в данной схеме является фотодатчиком, принимающим световой сигнал. К точке А подключают любое устройство звуковой сигнализации (или световой) с соблюдением полярности подключения, например, капсюль со встроенным генератором 34 типа KPI-4332. При чрезмерной мутности контролируемого раствора включится звуковой капсюль. Порог срабатывания устройства теперь устанавливают регулировкой входного делителя напряжения или первого усилительного каскада параметрического сигнализатора.