Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Repetytorium użytkowej elektroniki - Sygnalizator zalania

Elportal jest źródłem wiedzy dla profesjonalnych elektroników śledzących rozwój elektroniki w swojej specjalizacji. Jeśli jednak odczuwasz potrzebę przypomnienia sobie szerokiego spektrum zagadnień elektroniki użytkowej, to dla Ciebie jest to Repetytorium. W tym kursie znajdą również przystępnie podaną wiedzę programiści nieelektronicy odwiedzający Elportal w poszukiwaniu inspiracji projektowych.
Obawiasz się wycieku z pralki?
Czy w Twojej piwnicy lubi zbierać się woda?
Elektronika może Ci pomóc się z tym uporać!
Light icon
Article Image

Woda, jaka jest, każdy widzi – lubi się wdzierać tam, gdzie jej nie chcemy. Do garaży, schowków czy piwnic. Czasem, z uporem godnym podziwu, wycieka spod pralki, zmywarki czy wanny w postaci kałuży. Nieprzyjemny widok, który zwiastuje spore problemy, prawda?

Dzisiaj, w XXI wieku, nie musimy co chwilę robić obchodu po całym domu, żeby sprawdzić, czy wszystko jest w porządku. Owszem, kontrola od czasu do czasu nie zawadzi, ale są znacznie wygodniejsze sposoby. Na przykład automatyczne sygnalizatory, czyli niewielkie układy elektroniczne

Zanim przejdziemy do omawiania układu sygnalizatora, zastanówmy się, w jaki sposób może on wykryć obecność wody na podłodze. Rozwiązanie z kamerą, która rejestruje obraz, będący potem analizowany automatycznie, jest zdecydowanie zbyt drogie. Starodawne metody, jak skręcanie się końskiego włosia pod wpływem wilgoci, też nie wydają się wygodne. 

Drewniana stacja pogody

A gdyby do problemu podejść od strony czysto elektronicznej? Najprościej byłoby nam wykryć, czy przez jakiś fragment obwodu płynie prąd, czy też nie. Jeżeli płynie, to układ reaguje w jeden sposób, a jak nie, to w inny. Czy tym „zagadkowym” fragmentem obwodu może być potencjalna kałuża?

Zestawmy to z jeszcze jednym faktem: podczas kąpieli w wannie nie wolno używać suszarki do włosów. Innych urządzeń podłączonych do sieci również. Dlaczego? Ponieważ grozi to porażeniem – odpowie każdy rozsądny użytkownik tego sprzętu. A dlaczego grozi to porażeniem? Ponieważ... woda przewodzi prąd! I bardzo byśmy nie chcieli, żeby popłynął przez nasze ciało, zamoczone w wannie.

Jednak z encyklopedii możemy dowiedzieć się, że woda jest doskonałym izolatorem, czyli prądu nie przewodzi. To prawda. Czysta woda prądu nie przewodzi. Ale zanieczyszczona już owszem. To dzięki nim pojawiają się w wodzie substancje zdolne do przewodzenia prądu. Dokładniej rzecz ujmując, substancje te muszą rozpaść się na jony pod wpływem rozpuszczalnika, jakim jest woda. 

Od ich składu i ilości zależy, jak dobrze woda będzie przewodziła prąd, ponieważ to ich zadanie, a nie samej wody. Na nasze szczęście (a raczej – naszych sygnalizatorów), woda wyciekająca spod zakurzonej pralki czy lejąca się po ścianie w piwnicy na pewno czysta nie jest. Wystarczy zatem wykryć, czy to, co znajduje się na podłodze, przewodzi prąd. Jeżeli nie – można przyjąć, że jest sucho. Jeżeli tak, wówczas należy wszcząć alarm. To oznacza, że na podłodze może być woda. 

Do detekcji, czy dana ciecz przewodzi prąd, wystarczy bardzo prosty układ. To źródło napięcia (np. bateryjka), jakiś niewielki odbiornik (np. żaróweczka) i metalowe elektrody. Jeżeli między tymi elektrodami będzie mógł płynąć prąd, wówczas obwód między bateryjką i odbiornikiem zostanie zamknięty. Lampka zacznie świecić. Po osuszeniu elektrod przestanie i lampka zgaśnie.

Najprostszy układ do detekcji wody

Takie rozwiązanie, chociaż proste, ma pewną wadę: zareaguje dopiero wtedy, kiedy natężenie płynącego prądu będzie relatywnie duże. Tymczasem my nie wiemy, co znajdzie się w tej wodzie, więc nie można też założyć, że będzie ona „chciała” dobrze przewodzić prąd.  Dlatego trzeba wykryć przepływ nawet bardzo słabego prądu.

Najprostszym wyjściem jest użycie tranzystora do wzmocnienia prądu, który płynie przez potencjalnie zamoczone elektrody. Tranzystor (dokładniej, będziemy mówić o tranzystorze bipolarnym) działa dokładnie jak wzmacniacz prądu. Ma on kilka mankamentów i nie zawsze jest tak idealny, jak byśmy tego oczekiwali, ale do tego zastosowania będzie jak ulał. Nie zapominajmy, że to właśnie tranzystory zrewolucjonizowały całą technikę!

Przykładowy wygląd tranzystorów

Tranzystory są małe, duże, okrągłe, prostokątne i tak dalej... Ich cechą wspólną jest to, że mają trzy nóżki. Czasem jedna z nich jest zmyślnie schowana (np. podłączona do metalowego kapelusza), ale jest, inaczej ten element nie mógłby pełnić swojej funkcji. Ich nazwy to:

  • baza (oznaczana literą B)
  • emiter (oznaczany literą E)
  • kolektor (oznaczany literą C, czasem K)

Symbol schematowy tranzystora jest charakterystyczny – to gruba kreska, od której odchodzą pod kątem dwie cieńsze, z czego jedna z nich ma strzałkę. Zwrot tej strzałki wskazuje kierunek przepływu prądu między emiterem a kolektorem.

Symbole tranzystorów NPN i PNP

Tranzystory typu NPN mają strzałkę wychodzącą z emitera, co oznacza, że przez bazę i kolektor prąd do nich wpływa. W przypadku tranzystora PNP jest odwrotnie: prąd wpływa emiterem, a wypływa częściowo bazą i częściowo kolektorem. Na razie będziemy omawiać tylko tranzystory NPN.

Idea działania tranzystora nie jest złożona: jeżeli przez bazę popłynie prąd, to przez kolektor popłynie prąd o β-krotnie większym natężeniu. β, czyli beta, to grecka litera alfabetu. Jej symbolem oznaczany jest jeden z najważniejszych parametrów tranzystora, czyli wzmocnienie prądowe

Kierunki przepływu prądów przez tranzystor

Oba te prądy zsumują się w emiterze. Wynika to z prądowego prawa Kirchhoffa, którego dotychczas nie przytaczaliśmy wprost. Ma ono bardzo intuicyjne sformułowanie: tyle samo prądu wpływa do danego obszaru, co z niego wypływa. Prąd nigdzie nie znika ani nie pojawia się znikąd. To zaś wynika wprost z zasady zachowania ładunku elektrycznego, która jest jednym z fundamentów fizyki. 

Zależności między prądami

Oczywiście, przez tranzystor popłynie prąd tylko wtedy, kiedy zostanie odpowiednio zasilony. Potencjały bazy i kolektora muszą być w tym celu wyższe niż emitera – dla tranzystora NPN. Źródło VB przez rezystor RB dostarcza prądu bazy IB. Natomiast źródło VCC przez rezystor RC daje prąd kolektora IC. Jeżeli napięcia tych źródeł są odpowiednio wysokie, przez tranzystor popłyną wszystkie wymienione prądy.

Układ zasilający tranzystor

Zaraz, zaraz... czyli „mały” prąd bazy IB staje się „dużym” prądem kolektora IC? A gdyby tak zamiast rezystora RB, który ogranicza prąd bazy, wstawić elektrody? Wtedy nawet maleńki prąd, który przepłynąłby przez nie, zostałby natychmiast wzmocniony! Nie trzeba też używać oddzielnych źródeł VB i VCC do zasilania, wystarczy jedno.

Najprostszy detektor zalania 

Na tym schemacie zostały dodane dwa rezystory połączone szeregowo z elektrodami. Ograniczają one prąd płynący przez bazę w sytuacji, gdyby doszło do przypadkowego zwarcia elektrod. W ten sposób tranzystor nie zostanie przypadkowo zniszczony, ponieważ prąd bazy nie może być zbyt wysoki. 

Jak on działa? Jeżeli między elektrodami znajdzie się coś, co przewodzi prąd, wówczas prąd o niewielkim natężeniu może popłynąć z baterii do bazy. Tranzystor wzmacnia go β-krotnie i odpowiednio większy prąd zaczyna pobierać kolektorem. W szereg z nim jest włączona dioda LED, która zaczyna przez to świecić. Jeżeli obwód zasilający bazę zostanie przerwany, wówczas prąd bazy przestaje płynąć i dioda gaśnie.

Jednak nie musimy sami głowić się nad tym, jakie elementy dobrać. Są gotowe rozwiązania, na przykład kit AVT1433. To niewielki i bardzo prosty w budowie moduł, który zaczyna piszczeć, jeżeli jego elektrody zostaną zalane przez wodę. 

Jest zasilany z jednej baterii typu CR2032, która daje napięcie o wartości 3V. Wystarczy postawić go na podłodze w monitorowanym miejscu, a on zajmie się resztą. Jego montaż jest tak prosty, że nawet początkujący użytkownik lutownicy sobie z tym poradzi.

Bateria litowa everActive CR2032
Zobacz w sklepie avt

Użyto w nim tranzystora typu BC517, który na schemacie wygląda jak dwa tranzystory NPN połączone ze sobą kaskadowo. To trafne spostrzeżenie. Taka konfiguracja dwóch tranzystorów jest nazywana układem Darlingtona i pozwala na uzyskanie jeszcze większego wzmocnienia prądowego. 

Konfiguracja Darlingtona

O ile pojedynczy tranzystor ma parametr β rzędu kilkudziesięciu, czasem kilkuset (od około 20 do około 400), o tyle układ Darlingtona może mieć wypadkowe wzmocnienie rzędu kilkudziesięciu tysięcy! Użyty tutaj BC517 ma β ≈ 30000. Co to oznacza? Układ silnie wzmacnia prąd, więc zareaguje nawet na delikatny wyciek wody. I o to nam chodzi.

Prostota tego układu stwarza też kilka problemów. Po pierwsze, jedyną jego reakcją jest ciągłe piszczenie. Jeżeli nie zostanie w porę usłyszany, cała jego praca pójdzie na marne. Po drugie, ma zasilanie wyłącznie bateryjne. Po kilkunastu godzinach piszczenia, kiedy np. nikogo nie ma przez weekend w domu, bateria wyczerpie się i układ zamilknie. 

Łatwiejszy do usłyszenia jest dźwięk przerywany. Wszystkie syreny alarmowe zmieniają głośność i/lub wysokość dźwięku, aby ucho nie przyzwyczaiło się do jednostajnego sygnału. Sygnalizator zalania też może mieć taką funkcję. Dedykowany do tego układ AVT764 zawiera tylko kilka elementów więcej, a radzi sobie z tym nie gorzej niż jego poprzednik:

Czujnik wilgoci, uniwersalny sygnalizator
Zobacz w sklepie avt

Dodatkowo, można szybko ocenić skalę problemu. Im więcej wody zaleje elektrody czujnika, tym łatwiej będzie ona przewodzić prąd, a tym samym szybciej będzie powtarzany dźwięk sygnalizatora. Generowanie sygnału przerywanego jest możliwe dzięki kondensatorom, które były skrótowo omówione na początku tego kursu. Dokładniej – mowa o kondensatorze C1. To on wprowadza do układu opóźnienie, przez co słyszymy dźwięk pulsujący.

Powyższy układ również potrafi tylko piszczeć i jest zasilany z baterii. A gdyby taki czujnik potrafił zrobić coś sam, automatycznie? I jeszcze gdyby był zasilany z sieci, przez co nie trzeba się martwić o wymianę baterii... Nie ma sprawy, takie układy również istnieją. Na przykład AVT1612:

2-poziomowy alarm ostrzegający przed zalaniem
Zobacz w sklepie avt

Na jego schemacie ideowym można znaleźć tranzystory typu BC517. To te same, które były użyte w najprostszej wersji czujnika zalania AVT1433. Jeden załącza znany nam już sygnalizator piezoelektryczny, który emituje dźwięk. Drugi uruchamia przekaźnik, który jest w stanie załączyć pompkę samoczynnie wylewającą wodę. Na przykład taką:

Mini pompka do cieczy 12Vdc 110L/h
Mini pompka do cieczy 12 VDC 110 l/h
Zobacz w sklepie avt

Dzięki temu domownicy mogą dostać informację dźwiękową (buzzer) o tym, że coś się dzieje, a układ w tym czasie sam posprząta (pompka). Pompkę należy podłączyć do zasilacza, a w szereg z nią i zasilaczem włączyć odpowiednie styki przekaźnika. Które – o tym za chwilę.

Kolejnym nowym elementem jest przekaźnik, który został użyty w AVT1612. To bardzo wdzięczny podzespół, zwłaszcza wtedy, kiedy używa się go prawidłowo. Składa się z trzech rzeczy:

  1. elektromagnesu,
  2. styków,
  3. kotwiczki poruszającej styki.

Zazwyczaj przekaźniki są w nieprzezroczystych obudowach, dlatego zobaczenie tych elementów jest utrudnione. Ale poniższy rysunek dobrze to zobrazuje:

Budowa przekaźnika

Elektromagnes to urządzenie, które wytwarza pole magnetyczne wtedy, kiedy płynie przez niego prąd. Zazwyczaj ma formę szpulki z gęsto nawiniętym cienkim drucikiem. Przepływ niewielkiego prądu przez ten drucik – z baterii, zasilacza lub innego źródła – powoduje powstanie pola magnetycznego. 

Styki są podobne do tych, jakie można spotkać w mechanicznych przełącznikach. Jeżeli się dotykają, płynie przez nie prąd. Jeżeli są od siebie odsunięte, prąd nie płynie. Zazwyczaj w przekaźnikach mamy do czynienia ze stykami:

  • normalnie otwartym (NO),
  • normalnie zamkniętym (NC),
  • wspólnym (COM).

Kiedy przez elektromagnes nie płynie prąd, zwarty jest COM z NC. Po załączeniu przekaźnika, czyli podaniu napięcia na elektromagnes, zwiera się COM z NO. Wyłączenie cewki powoduje powrót do przewodzenia między stykami COM i NC. Zatem przekaźnik to taki przełącznik monostabilny sterowany prądem, a nie palcem.

W przypadku układu AVT1612 elektormagnes przekaźnika zostaje załączony po zalaniu elektrod wodą. Dlatego pompa musi się uruchomić wtedy, kiedy załączy się elektromagnes. Zatem należy posłużyć się stykami COM i NO.

Ostatnia rzecz na liście, czyli kotwiczka, jest wykonana z metalu przyciąganego przez magnes. Służy do poruszania stykami pod wpływem pola magnetycznego z elektromagnesu.

Podobnie jak w przypadku mechanicznych przełączników, tak i styki przekaźnika są opisane przez parametry graniczne. Na przykład, znajdujący się w AVT1612 przekaźnik typu RM96P12 ma styki mogące przewodzić prąd nie większy niż 8A przy napięciu nie większym niż 250V (przemienne, AC) lub 24V w przypadku napięcia stałego (DC). Jednak te prądy i napięcia z powodzeniem mogą być niższe, przekaźnikowi nic się nie stanie.

Przekaźnik RM96 SPDT, 12V, 8A, RM96-3011-35-1012
Zobacz w sklepie avt

Podsumowanie

Realizacja prostego czujnika zalania wymaga użycia elementu mogącego wzmocnić prąd. Jednym z nich jest tranzystor bipolarny. Jedną z jego konfiguracji pracy jest układ Darlingtona, czyli odpowiednie połączenie dwóch tranzystorów, co zwiększa wypadkowe wzmocnienie prądowe. Zostały również omówione przekaźniki jako prosty sposób na załączenie obciążenia pobierającego spory prąd.

W następnym artykule jeszcze bardziej zagłębimy się w elektronikę, a dokładniej – w układy zasilające. Co powoduje, że napięcie jest dodatnie lub ujemne? Odpowiedź w kolejnym odcinku!

Galeria
AUTOR
Udostępnij
UK Logo