Привет, Хабр! Вот и вышла моя первая статья в свет. В ней я делюсь опытом по созданию системы защиты от протечек воды, которая вышла намного дешевле готовых решений на рынке. Обязательно пишите в комментариях о найденных ошибках/неточностях, по мере написания этого текста я узнавал много нового и что-то мог пропустить и не учесть.
Введение
Не так давно квартиру, в которой я живу, затопили сверху. Ущерб оказался незначительным и был быстро возмещен, но я задумался: а ведь на месте тех людей сверху может оказаться каждый из нас. Порвалась гибкая проводка, засорилась раковина, сломалась стиральная машина, посудомойка: причин, по которым вода может оказаться разлитой на полу, очень много. И вот я задумался: как избежать трат денег из-за случайного затопления, виновником которого оказался я? Казалось бы, квартиру можно просто застраховать. Однако, во-первых, меня не устраивала стоимость страховки: минимальная сумма 4500 рублей в год. Во-вторых, нужно вникать в особенности страхования, как например знать ответы на вопросы: какая максимальная сумма возмещения ущерба, какие случаи не являются страховыми (!!!) и т.д. Также я обратил внимание на то, что стоимость страховки квартиры от затопления самая дорогая по сравнению с другими видами страхования (пожар, ограбление). Что ж, а можно ли предотвратить затопление, или хотя бы свести его вероятность к минимуму? Оказывается, можно!
Поиск готовых систем защиты от протечек, разочарование
На российском рынке представлено много готовых систем защиты от протечек воды. Краткий принцип работы: есть датчики, которые при попадании воды передают сигнал в модуль управления, модуль управления включает сигнализацию, начинают мигать разные лампочки, и разумеется передается сигнал на электроприводы, которые перекрывают воду. К сожалению, установить такое удовольствие недешево: минимально за полную установку мне предлагали 30000 рублей, при том что система была не из известных. Также о цене: когда я уже выбирал оборудование нептун (вроде как популярная система защиты от протечек), мне все казалось, что сам бог морской хочет меня нае ограбить: один привод стоит 8000 рублей, и если в модели заменить сам кран, по которому идет вода, стоимость уже 17000! Датчик 2000! Никуда не годится, подумал я. Что делать?
Измерение сопротивления воды (терпение, читайте дальше)
Как работает датчик воды? Таким вопросом я задался, думая, что может хотя бы его я смогу заказать отдельно. Интернет выдает информацию, что основной принцип: из-за попадания воды происходит замыкание цепи, создается электрический ток. Хм… А что, если расположить две медных проволоки рядом на близком расстоянии, при попадании воды между ними цепь замкнется, затем сработают два отдельных электропривода на кранах? Смотрите изображение ниже, чтобы идея стала понятна.
Но какое сопротивление в этом случае будет… У воды? Какой в цепи будет ток и хватит ли мощности запитать два электропривода? Первым делом я нашел на сайте алиэкспресс два максимально дешевых электропривода, поворачивающих ручку рычажного шарового крана. Рабочее напряжение: 12 В, потребляемая мощность во время работы привода: 1,2 Вт. Разделить мощность на напряжение – получается протекаемый ток через привод (0,1 А). Разделить напряжение на ток, сопротивление 120 Ом. Теперь как-то нужно измерить сопротивление остальной части цепи (воды). Итак, погрузив щупы мультиметра в водопроводную воду на близком расстоянии друг от друга, сопротивление измерить не удалось: мультиметр с максимумом шкалы в 2 МОм зашкаливал. При этом сопротивление резисторов известного номинала мультиметр измерял корректно. Я предположил, что напряжение, выдаваемое мультиметром, слишком мало, чтобы создать ток в цепи с водой. Тогда я соединил источник напряжения 5 В, мультиметр в режиме амперметра и воду в сосуде последовательно. Ток есть! Вычисленное значение сопротивления около 3000 Ом. Уже лучше! Разливая воду по поверхности, меняя в ней расстояние между щупами мультиметра, используя горячую и холодную воду из под крана и измеряя сопротивление для очередной конфигурации, выяснилось, что диапазон сопротивлений в будущем собственном датчике при попадании воды будет от 2000 до 7000 Ом. Допустим, что в диапазоне напряжений от 5 В до 220 В сопротивление воды меняется незначительно. Но тогда получается, что даже в цепи постоянного тока напряжением 220 В потребляемая мощность привода всего 29,1 мВт.
Это очень мало. Даже если допущение о постоянстве сопротивления воды неверно, достичь потребляемой мощности в 1,2 Вт электроприводами в данной цепи считаю невозможно. Возможный выход: использовать биполярный транзистор.
Проектирование схемы с биполярным транзистором
Биполярный транзистор (далее по тексту буду называть просто транзистор) может усиливать электрический ток. Я хочу, чтобы источник напряжения цепи был номиналом 12 В или чуть больше: безопасно и аккумуляторы/батарейки такие существуют. Тогда возможно ли подобрать подходящий транзистор в моем случае, если напряжение источника питания будет 12 В, и напряжение на электроприводах при этом также ~12 В?. Чтобы ответить на этот вопрос, я создал электрическую цепь в программе мультисим, где подключил транзистор по схеме с общим эмиттером, зашел на сайт чип и дип и стал искать транзисторы с наименьшей потребляемой мощностью, максимальным током коллектора более 0,2 А (2 электропривода подключены параллельно, ток каждого 0,1 А), минимальным коэффициентом усиления тока базы выше 120 (напряжение ~11,5 В, где 0,5 В на потери; сопротивление воды 7000 Ом; тогда ток базы минимум 1,65 мА, а ток коллектора должен быть 0,2 А). В результе наиболее подходящим транзистором, параметры которого были в мультисим, мне показался BC817-40W. На скриншотах ниже результат моделирования цепи с этим транзистором. Обращаю внимание на то, что при отсутствии воды на полу (разомкнутых ключах на схеме) согласно мультисим небольшой ток все равно проходит через нагрузку (который по моим расчетам разрядит батарейку LR23 номинала 12 В до 9 В всего за 11 дней). На практике я предполагаю, что этого тока не будет или он будет намного меньше, так как через базу транзистора на данной схеме также протекает ток, но очень маленький (сопротивление разомкнутого ключа 10 МОм) и так как предполагаю, что при таком маленьком напряжении на электроприводах ток протекать не будет, то есть сопротивление приводов будет стремится к бесконечности.
Мультисим может и обмануть, я полез в даташит изучать ограничения транзистора и другие его характеристики. Проблем не выявил. Также сравнил с анализом цепи программой Proteus. Модели BC817-40W в ней не было, поэтому сравнивал анализы для транзистора BC807-16. Получилось похоже, потому надеюсь, что мультисим выдает правильный результат для BC817-40W.
Покупка необходимых товаров и услуг, установка кранов и электроприводов, создание датчиков протечки
Идея начинает воплощаться в жизнь. Фото до всех проделанных работ:
Были заказаны два электропривода с алиэкспресс для рычажного крана, куплены сами рычажные краны Bugatti, уголки в лемана про. Я не хотел устанавливать в водопровод детали с алиэкспресс (причины надеюсь ясны). Однако идея поставить рычажный шаровый кран, а уже на него электропривод с алиэкспресс мне понравилась. Затем я нашел сантехника, который установил мне в водопровод купленные рычажные краны. За данные материалы и работу сантехника отдал 9108 рублей. Также поменял счетчик горячей воды, так как он протекал (траты на замену счетчика в общей сумме не учитываю). После работ с водопроводом заказал в чип и дип комплектующие для электрической цепи с запасом: 4 плавких предохранителя на 0,25 А (если вдруг контакты датчиков воды замкнутся, или ток в цепи по другой причине будет превышен), батарейный отсек для батарейки LR23, держатель предохранителя, 4 транзистора BC817-40W. Вышло 134 рубля, итого сейчас полная сумма всех трат 9242 рубля. (Помимо предохранителей, я рассматривал варианты использовать газовые разрядники или варисторы, однако не понял, подходят ли они конкретно для моего случая и есть ли между ними существенная разница. Буду благодарен за объяснение их области применения и уместности использования в моем случае в комментарии к статье). После ожидания в 2 недели мне пришла посылка с электроприводами, я сразу проверил их работу. Убедившись в исправности, установил на рычажные краны.
Обратите внимание, я также могу пользоваться шаровым краном вручную, так как ограничение на его ход находится только с одной стороны электропривода (то есть чтобы закрыть кран электроприводом, нужен упор лишь с одной стороны). Также вы наверное заметили, что под крепеж электропривода я подложил резину. К сожалению, крепеж оказался слишком большим по размеру, хотя его размер должен соответствовать размеру водопроводной трубы (DN15). Так что тем, кто будет заказывать такой электропривод, советую брать с универсальным крепежом. После решил сделать сами датчики. К счастью, у меня в наличии были кабели витая пара: поснимал лишнее из разных мест дома, когда перешел на более скоростной интернет. В каждом кабеле по 4 жилы, значит, из одного конца кабеля можно сделать два датчика.
Встраивание транзистора в общую схему
При работе с транзистором возникла проблема: небольшое усилие к проводу, припаянному к транзистору, и ножка сломана. К сожалению, сломал все 4 штуки (2 при пайке, 2 после). Размер транзистора (уже сломанного) ниже.
Купил еще 6 штук транзисторов (24 рубля), решил делать плату-переходник сам, так как готового переходника для корпуса sot-323 я не нашел. Почитав в интернете о методах создания печатных плат, решил делать фоторезистом, так как дома есть (А)УФ лампа, а готовую заготовку с уже нанесенным фоторезистом можно заказать на озоне. Итак, заказал все для создания платы фоторезистом (потом заказал еще одну заготовку, так как с первой не получилось). Итоговая сумма на данном этапе: 9242 + 232 (2 батарейки LR23) + 24 (6 транзисторов) + 94 (резина) + 1335 (фоторезист) + 620 (паяльная паста, флюс) = 11547 рублей. Изготовил плату по методу из этой статьи: https://habr.com/ru/articles/1012482/. Схему для наложения на фоторезист делал в программе KiCad. В первый раз для смывки незасвеченного фоторезиста использовал средство “Крот”. Средство оказалось слишком сильным и немного смыло засвеченный фоторезист. Далее пробовал травить плату, ничего не вышло. Как заказал новую заготовку, решил проявлять жидким стеклом (как делали в статье выше). Результатом доволен: хоть и пересветил фоторезист, пришлось дольше держать в жидком стекле (2 минуты – очистка щеткой под струей воды и так несколько раз), но при этом жидкое стекло никак не действовало на засвеченный фоторезист и плата получилась более менее красивой.
Финальная сборка, дополнения к схеме и решение неожиданной проблемы
Результат работ на текущем этапе ниже. Можно заметить предохранитель, а также защитное заземление, которое я провел к коллектору (не знаю на сколько это необходимо, лишним точно не будет).
Набираю немного воды, выливаю на датчик, и… не работает. Батарейка греется, предохранитель цел. Уже было испугался, что не работает вся схема, однако вскоре выяснил, что контакты одного датчика замкнулись, а батарейка, видимо, не может выдавать большой ток (то есть больше 0,25 А). В процессе выяснения проблемы напряжение на обоих батарейках (я их по очереди менял) без нагрузки стало равным 10,7 В на одной и 9,7 В на другой. Замкнул щупы мультиметра в режиме амперметра на контакты батареек, токи равны 50 мА и 10 мА… Ужас! Глянул еще раз в техническое описание электроприводов: написано, что напряжение на клеммах может меняться от 6 до 18 В. Затем увеличил расстояние между контактами датчиков, проверил работу схемы для источника напряжения 5 В (а заодно работу предохранителя: работает): даже небольшой капли достаточно, чтобы электроприводы отработали и перекрыли воду! Отлично, значит схема в целом работает, нужно лишь заменить источник питания для цепи. Вспомнил, что дома есть 2 аккумулятора типа крона (лежат 2 года без дела). Зарядил полностью один, подключил к схеме и проверил, как сильно упадет напряжение под нагрузкой и после нескольких раз работы электроприводов. Начальное напряжение 8,5 В, после первой работы электроприводов стало 8,4 В, после следующих 4 раз оно было неизменным: также 8,4 В. Проверил напряжение во время работы электроприводов: 8,28 В, чего вполне достаточно, раз схема работает даже при 5 В. Докупил держатель для кроны, итого общая сумма за всю работу: 11547 + 169 (держатель кроны) = 11716 рублей. Итоговая работа всей схемы на видео.