Chránič zásuvek proti nebezpečnému doteku

Student VŠB Technické univerzity Ostrava Martin Král je finalistou Ceny Nadace ČEZ 2017, soutěže o nejlepší vědeckotechnickou práci studentů technických univerzit v České republice. Odborná porota složená z vysokoškolských učitelů a odborníků z praxe ocenila zejména kvalitu práce, tvůrčí přínos a schopnost autora prezentovat své výsledky před odbornou veřejností. Kromě diplomu získal Martin finanční příspěvek pro svůj další profesní rozvoj. O své práci nám napsal do Třípólu.

K vytvoření bezpečné zásuvky mne přivedla obava o malé děti, které si hrají v blízkosti zásuvek. Mají-li nepozorné rodiče, mohou kvůli své zvědavosti přijít k úrazu. Existují mechanické záklopky úspěšně bránící nechtěnému doteku - na druhou stranu často naopak děti přitahují. Zvědavci se snaží vyzkoumat co to je a k čemu to je a co se pod tím skrývá. Svůj projekt jsem založil na vytvoření systému vyhodnocujícího nebezpečné přiblížení prstu nebo malého elektricky vodivého předmětu v sevření ruky. Princip systému spočívá ve snímání změny kapacity. Ta změní rezonanční poměry vyhodnocovacího prvku, který poté prostřednictvím akčního členu odpojí kontakty zásuvky. Odpojení trvá jen po takovou dobu, po jakou je snímán potenciálně nebezpečný dotek. Veškeré prvky systému pro chránění zásuvky jsem volil s ohledem na minimální rozměry a minimální finanční náročnost.

Hlavní prvky obvodu

Základním prvkem jakéhokoli elektrického obvodu je napájení, v klasických zásuvkách bývá obvykle dostupné nízké napětí 230 V. Toto napětí je tedy nutné s ohledem na proudové nároky obvodů bezpečně a spolehlivě snížit na požadovanou úroveň. Využil jsem nejrozšířenějšího způsobu, a to transformace. Následovalo usměrnění a vyhlazení napěťového průběhu. Veškeré klíčové prvky obvodu jsou napájeny napětím 3,3 V, pro dodatečnou regulaci a stabilizaci napětí na této úrovni jsem využil stabilizátor napětí L78L33ACU s maximálním výstupním proudem 100 mA, stabilizátor je v SMD provedení (Surface Mount Devices, vhodné na technologii povrchové montáže). Obvodem vyhodnocujícím změnu kapacity při potenciálním nebezpečném doteku je komerčně dostupný obvod TS01. Kapacitní snímání by šlo realizovat mnoha obvody složenými ze základních elektronických součástek, tyto obvody by ale neposkytovaly takové možnosti jako zvolený obvod. Mezi jeho hlavní přednosti patří: automatická diferenciální kalibrace citlivosti, velmi nízký odebíraný proud (μA), funkce synchronizace pro spojení více obvodů, citlivost nastavitelná v krocích, výstup open-drain, integrovaný filtr pro eliminaci rušení. Obvod TS01 je umístěn na samostatném plošném spoji kvůli zamezení přenosu rušení od napájecí a spínací části.

Jak odpojit kontakty

Odpojení kontaktů zásuvky od napájení provádí miniaturní relé. Obvod TS01 je miniaturních rozměrů a nedokáže spínat svým výstupem vyšší proud než 4 mA, proto je pro spínání miniaturního relé s příkonem asi 50 mA použito zapojení s PNP tranzistorem. Pro názornost funkce je zásuvka vybavena dvěma nízkopříkonovými LED, jednou zeleně svítící pro signalizaci napájení, druhou modře svítící pro signalizaci odpojení kontaktů zásuvky při potenciálně nebezpečném dotyku živé části zásuvky. Poslední důležitou částí celého systému jsou snímací elektrody.

Kapacitní snímání

Obvod TS01 vyhodnocující kapacitu je schopen vyhodnotit změnu kapacity již od 0,2 pF. Nastavení potřebné kapacitní změny pro sepnutí vnitřního tranzistoru obvodu TS01 se provádí dvěma kondenzátory (C_s a C_r). Výsledná kapacita kondenzátoru C_s a kapacita dotykové plochy se pro sepnutí tranzistoru musí rovnat kapacitě kondenzátoru C_r.

Výpočet kapacit pro nastavení citlivosti

Dotykové elektrody nejsou přímo přístupné, protože by zde došlo k jistému spojení fáze nebo středního kontaktu s těmito elektrodami přes kolíky zástrčky při zapojení spotřebiče do zásuvky. Dotykové elektrody jsou bezpečně oddáleny. Díky tomuto oddálení vzniká mezi uživatelem a dotykovou elektrodou dodatečná kapacita (kapacita dotykové plochy). Tuto kapacitu dotykové plochy je nutné spočítat a podle ní volit hodnotu kapacit kondenzátorů C_s a C_r. Hodnota kapacity kondenzátoru C_s musí být menší o 2 pF než hodnota kapacity kondenzátoru C_r. Podle doporučení výrobců TS01 jsem zvolil hodnotu C_s = 10 pF a hodnotu C_r = 12 pF. Nastavení hodnot kapacit by mělo být tedy ideální, nicméně velice důležité je také umístění a orientace dotykových elektrod. Vodivá část osoby, která se pokouší dotknout živých částí zásuvky, se musí v ideálním případě přiblížit k dotykovým elektrodám s co největší plochou, aby se zvýšila kapacita dotykové elektrody na vypočítanou a nastavenou hodnotu 2 pF. Dotykové elektrody musí však být zároveň dostatečně daleko od živých částí zásuvky, jinak zde bude riziko vzniku elektrického oblouku a vzniku destruktivního napětí pro obvody malého napětí.

Závěr

Díky miniaturním rozměrům je možné instalovat výše popsaný systém do jakékoli zásuvky. Svou funkcí může zachránit mnoho životů. Jako hlavní prvek ke snímání doteku je využit komerčně dostupný obvod. Finančně nejnáročnější součásti tohoto systému jsou: kapacitní snímač TS01 s maloobchodní cenou 40 Kč a transformátor s maloobchodní cenou 60 Kč, cena veškerých součástí (vyjma zásuvky) by se měla vejít do 150 Kč.

Literatura:

[1] touchSEMI - Capacitive touch and proximity sensors [online]. Copyright © [cit. 18.06.2017]. Dostupné z:

http://www.touchsemi.com/Pages/20_Standardn%ED_c/TS01_%281CH_Senzor%29_c/TS01S.pdf

This research was partially supported by the SGS grant from VSB - Technical University of Ostrava (No.SP2017/54) and by the project TUCENET (No. LO1404).