Prąd elektryczny w dzisiejszych czasach jest konieczny do prawidłowego działania bardzo wielu urządzeń. Nie inaczej jest przy instalacjach automatycznego nawadniania. Pompy zasilane są napięciem 230V AC, elektrozawory 24V AC, sterownik podlewaj.pl oparty o Raspberry Pi wymaga natomiast zasilania 5V DC. Co właściwie oznaczają te cyfry i litery, jaki zasilacz dobrać do naszego sterownika i co jesteśmy w stanie zrobić samodzielnie, a do czego potrzebujemy pomocy elektryka?
Teoria
Uwaga! Prąd elektryczny może być śmiertelnie niebezpieczny!
Wszystkie prace przy części elektrycznej realizuj przy odłączonym napięciu.
Jeśli nie jesteś pewien tego co robisz, skonsultuj się z profesjonalnym elektrykiem.
Nie ponosimy odpowiedzialności za straty spowodowane niniejszym wpisem.
Wszystkie projekty DIY robisz zawsze na własne ryzyko.
Na początek wyjaśnijmy trochę teorii dotyczącej zasilania. Prąd elektryczny określany jest dwoma (a właściwie trzema) parametrami. Są to:
- napięcie (oznaczane symbolem U i jednostką [V] – woltami),
- natężenie (oznaczone symbolem I i jednostką [A] – amperami),
- charakterystyka napięcia (przemienna: AC lub stała: DC)
Prąd płynie od źródła (np. baterii, zasilacza, gniazdka sieciowego w ścianie) do naszego urządzenia (odbiornika) i z powrotem do źródła, tworząc zamknięty obwód. To oczywiście bardzo duże uproszczenie, ale pozwoli zrozumieć dalszą część.
Moc którą może określić zasilacz możemy więc przedstawić jako iloczyn napięcia (w woltach) i natężenia (w amperach), lub od razu jako waty (W) jeśli mamy do czynienia z zasilaczami prądu stałego lub w woltamperach (VA) jeśli mamy do czynienia z transformatorami.
Tak więc zasilacz 5V 2.5A dostarcza nam 12.5W mocy, a transformator 24V o prądzie maksymalnym 2A 48VA mocy.
Aby nasz odbiornik działał prawidłowo, musimy zapewnić mu źródło zasilania o tym samym napięciu, charakterystyce i nie mniejszym natężeniu niż pobierane przez nasz odbiornik.
Przykład: Aby zasilić minikomputer Raspberry Pi (5V DC, 2.5A) potrzebujemy zasilacza o napięciu 5V DC i prądzie nie mniejszym niż 2.5A.
Zbyt wysokie napięcie prawdopodobnie spowoduje uszkodzenie naszego odbiornika.
Zbyt niskie napięcie spowoduje, że nie będzie działać prawidłowo (np. będzie zachowywać się dziwnie lub w ogóle się nie włączy).
Zbyt wysokie natężenie dostarczane przez zasilacz nie stanowi problemu – odbiornik wykorzysta tyle prądu ile będzie potrzebować.
Zbyt niskie natężenie dostarczane przez zasilacz może spowodować uszkodzenie zasilacza lub nieprawidłowe działanie urządzenia.
Właśnie dlatego tak istotne jest prawidłowe zasilanie naszych urządzeń. Pamiętajmy też, że wartości określone na zasilaczu oznaczają maksymalne wartości których możemy oczekiwać z tego urządzenia bez jego uszkodzenia. Nie oznacza to jednak, że ciągła praca na 100% mocy zapewni nam długoletnią sprawność. Bardzo mocno rozgrzany zasilacz czy transformator pracujący na „pełnej mocy” szybciej może odmówić współpracy niż taki który obciążymy w 50 – 75%. Zawsze starajmy się zapewnić pewien margines bezpieczeństwa.
Bezpieczeństwo
Jak zapewne każdy doskonale wie, napięcie 230V AC jest śmiertelnie niebezpieczne. Dlaczego więc możemy chwycić za wtyczkę USB ładowarki do telefonu i nie zginąć porażeni prądem?
Na szczęście dla nas, ludzka skóra jest całkiem niezłym izolatorem i napięcie 5V które znajduje się we wtyczce USB nie jest w stanie jej spenetrować. Za takie „bezpieczne” napięcie uznaje się wartości nawet do 50V AC. Teoretycznie dotknięcie przewodu pod takim napięciem suchą skórą nie powinno być dla nas groźne (co oczywiście nie oznacza, że należy to robić – nie ryzykujmy!). Problem pojawia się jednak gdy w równaniu pojawia się woda.
Wilgoć obniża wartość bezpiecznego napięcia do 25V AC, a obecność wody jeszcze bardziej – do 12V AC. Instalacja nawadniania nieodłącznie wiąże się z wodą, a tam gdzie stykają się prąd i woda może dojść do potencjalnie niebezpiecznych sytuacji.
Więcej szczegółów w temacie teorii bezpiecznych napięć znajdziecie choćby na stronie wikipedii – https://pl.wikipedia.org/wiki/Napi%C4%99cie_bezpieczne#Inne_warto%C5%9Bci_napi%C4%99%C4%87_dotykowych_dopuszczalnych
Konwersja napięć
Zazwyczaj nasze domowe instalacje zaczynają swój bieg od napięcia 230V AC. Tyle wynosi bowiem napięcie w gniazdku sieciowym dostarczane przez zakład energetyczny do naszego domu (mówiąc w uproszczeniu). Takim samym napięciem zasilane są np. pompy hydroforowe (odsyłam do specyfikacji konkretnego producenta), dlatego naszą pompę wystarczy podłączyć do gniazdka aby rozpoczęła ona pracę.
Inaczej sprawa ma się z elektrozaworami. Te również korzystają z prądu przemiennego, ale o dużo niższej wartości – typowo 24V. Aby je zasilić musimy skorzystać z transformatora – bardzo prostego urządzenia elektrycznego które obniży napięcie do odpowiedniego poziomu. Transformatory obniżające napięcie do 24V AC zakupimy w internecie lub lokalnych sklepach elektrycznych. W większości przypadków konieczne będzie dobranie odpowiedniej wtyczki oraz przedłużenie przewodów. Warto pamiętać też o izolacji – znam przypadek, kiedy transformator zostawiony na zimę na zewnątrz zgromadził w sobie wilgoć. Po włączeniu działał przez chwilę, wilgoć spowodowała zwarcie, transformator rozgrzał się i ostatecznie uszkodził powodując dodatkowo wystrzelenie bezpiecznika z powodu zwarcia. Najlepiej umiejscowić go w puszcze wewnątrz suchego pomieszczenia, a w stronę instalacji wyprowadzić dalsze przewody.
Sterownik podlewaj.pl zrealizowany na minikomputerze Raspberry Pi wymaga jednak prądu stałego – 5V DC. Najłatwiej skorzystać z gotowego zasilacza sieciowego (ładowarki) z wyjściem microUSB lub USB-C (zależnie od wersji minikomputera). Taki zasilacz realizuje za nas dwie konwersje – prąd przemienny AC zmienia na prąd stały DC i obniża jednocześnie napięcie z 230V do 5V.
Pewną alternatywą jest też stworzenie własnego zasilacza przy pomocy gotowych modułów elektronicznych, zawierających wszystkie potrzebne elementy. Dzięki temu będziemy w stanie wykorzystać linię 24V AC którą i tak musimy doprowadzić do sterownika (przy jej pomocy włączamy elektrozawory poprzez przekaźniki). To sprawia, że wewnątrz skrzynki ze sterownikiem nie ma groźnego dla człowieka napięcia 230V a zamiast kilku przewodów wystarczy jeden: 24V AC.
Jest tylko jeden szkopuł. Moduły przetwornic dostępne na rynku wykorzystują prąd stały. Potrzebujemy więc urządzenia które zmieni prąd przemienny (AC) na stały (DC). Takim urządzeniem jest mostek prostowniczy wraz z kondensatorem filtrującym. Możemy zbudować go bardzo prosto z czterech diod prostowniczych i kondensatora (np. na diodach 1N4001 oraz kondensatorze 4700uF na napięcie min. 40V), możemy też kupić zintegrowany element i osobno kondensator, lub gotowy moduł.
Zabezpieczenia
Wspomniałem wcześniej o bezpieczniku PTC. Ponieważ zawsze należy przyjąć, że COŚ pójdzie nie tak, należy minimalizować potencjalne straty. W przypadku instalacji nawadniania może wydarzyć się wiele – przecięcie łopatą przewodów, przegryzienie przez zwierzęta, zwarcie z powodu wody. Te wszystkie czynniki mogą doprowadzić do nadmiernego poboru prądu (a często także bezpośredniego zwarcia). Co wydarzy się wówczas w naszym układzie, jeśli nie zabezpieczymy go przed takimi sytuacjami? Przede wszystkim mocno przeciążony zostanie transformator. Może przez to zacząć intensywnie się rozgrzewać co w bardzo krótkim czasie spowoduje stopienie izolacji, zwarcie uzwojenia, jeszcze mocniejsze rozgrzewanie i w rezultacie zniszczenie transformatora – potencjalnie razem z jego pożarem.
Właśnie dlatego należy zastosować bezpiecznik, dobrany mocą do maksymalnego dopuszczalnego poboru. Jaki to prąd? Zależny od poboru sterownika oraz elektrozaworów. A ile tak właściwie prądu pobiera elektrozawór? Zajrzyjmy więc do karty katalogowej Huntera PGV-100. Można z niej odczytać, że prąd pobierany przy załączeniu to 475 mA a prąd podtrzymania działania cewki to 230 mA. Czyli każdy z naszych elektrozaworów w momencie załączenia pobierze nie więcej niż 0.5A prądu. Przy 4 zaworach będą to 2A prądu. Warto więc wybrać bezpiecznik o przynajmniej takiej wartości (ponieważ elektrozawory nie będą pobierać ciągle tak dużego prądu, a uruchomienie wszystkich jednocześnie raczej nie będzie typowym sposobem ich działania).
O bezpiecznikach można byłoby pisać naprawdę wiele, ja wspomnę jeszcze o ich typach. Zazwyczaj w domu posiadamy bezpieczniki automatyczne (z dźwigienką która przeskakuje rozłączając obwód w razie przeciążenia instalacji), które mogą zadziałać wielokrotnie bez konieczności ich wymiany. Jednak choćby w instalacjach samochodowych czy sprzętach RTV znajdziemy już bezpieczniki topikowe, w których zbyt duży pobór prądu doprowadzi do przepalenia się drucika i przerwanie obwodu w ten sposób. Jak najbardziej możemy wykorzystać też takie, ale dużo łatwiej będzie nam wybrać bezpiecznik PTC (zwany także po angielsku poly-fuse, bezpiecznik polimerowy). Jest to bezpiecznik wykonany z tworzywa które pod wpływem przepływu prądu od jego pewnej wartości skokowo zwiększa swój opór – ograniczając płynący przezeń prąd elektryczny. Oznacza to, że jeśli coś spowoduje zwarcie w naszym obwodzie (np. łopatą przebijemy niechcący przewód biegnący do elektrozaworu powodując jego zwarcie), taki bezpiecznik bardzo mocno ograniczy przepływ prądu nie doprowadzając do przegrzania np. transformatora lub zasilacza. Po usunięciu zwarcia (np. kiedy wyciągniemy łopatę a przecięte przewody nie będą się stykać) po chwili bezpiecznik odblokuje się przywracając układ do działania. Z wyłączeniem odciętego elektrozaworu oczywiście 🙂 Dzięki temu to proste i względnie tanie urządzenie jakim jest bezpiecznik PTC potrafi zapobiec większym awariom a jednocześnie uchroni nas przed koniecznością wymiany bezpiecznika na nowy jeśli popełnimy błąd i np. niechcący zewrzemy gdzieś przewody.
Trzeba jednak pamiętać, że bezpiecznik nie jest remedium na wszystkie problemy. Zwarcie od strony pierwotnej transformatora, przebicie wyższego napięcia do instalacji niskiego zasilającego sterownik – te i inne sytuacje mogą spowodować wiele problemów, a bezpiecznik nie uchroni nas przed ich skutkami. Dlatego zawsze należy wielokrotnie sprawdzić instalację zanim podłączymy ją do prądu. A w sytuacji kiedy nie jesteśmy pewni, skonsultujmy się z elektrykiem lub osobą która będzie w stanie potwierdzić prawidłowość podłączenia.
Czas na praktykę
Tak więc wiemy już wszystko co jest nam niezbędne do zasilenia naszego sterownika. W następnej części pokażę kilka praktycznych schematów podłączenia – tak, aby każdy mógł dobrać coś do swoich potrzeb.