Porażenie prądem w akwarium – Jak się zabezpieczyć?

Zastanawiałem się kiedyś, czy osoby zaczynające przygodę z akwarystyką (nie koniecznie morską) biorą pod uwagę ryzyko wypadku, jakim jest porażenie prądem w akwarium. A takie ryzyko bez wątpienia istnieje i niesie ze sobą realne zagrożenie. No, bo przecież są urządzenia elektryczne zanurzone w słonej wodzie, mokra podłoga i akwarysta, regularnie wkładający ręce do akwarium. Pal licho, jeśli przebicie na pompie nastąpiłoby podczas naszej nieobecności. A co jeśli akurat będziemy robili podmianę wody? Kiedyś, podczas prac porządkowych w sumpie, kawałek sporej skały spadł mi na włączoną do prądu grzałkę. Na szczęście grzałka wytrzymała, ale nieszczęście było blisko. Idealnie by było stosować same urządzenia niskonapięciowe 12-24V. Jednak często nie ma takiej możliwości. Jak w takim razie zabezpieczyć się przed ewentualnym wypadkiem? Można kupić kalosze elektroizolacyjne 20kV, ale można też inaczej… Czytajcie poniżej…

Różnicówka robi różnicę…

Jednym z najprostszych i najtańszych zabezpieczeń przed wypadkami z prądem jest wyłącznik różnicowo-prądowy, popularnie nazywany różnicówką (po angielsku RCD – Residual Current Device). Praca urządzenia polega na porównywaniu prądu wpływającego do układu z prądem wypływającym z układu. Jeśli obie wartości są takie same (lub różnica jest mniejsza niż próg zadziałania urządzenia) to różnicówka zamyka obwód. Wyobraźmy sobie teraz, że w jednej z pomp przetarła się izolacja i przewód fazowy dotyka wody. Póki nie dotykamy wody jest ok. Jednak, jeśli do tej wody włożymy rękę, to uziemimy ja powodując, że przez nasze ciało przepłynie prąd. Wtedy właśnie następuje porażenie prądem w akwarium. Gdy akwarium mamy podłączone przez moduł różnicowo prądowy, wykryje „ucieczkę” prądu z akwarium do podłogi i odłączy zasilanie.
W nowym budownictwie tego typu zabezpieczenia montowane są w standardzie. Co jednak zrobić, gdy mieszkamy w starym budownictwie i nasza instalacja elektryczna pamięta premierę Syrenki 105? Nic straconego. Wystarczy wymienić gniazdko zasilające nasze akwarium. Zamiast tradycyjnego gniazdka można zmontować takie z wbudowanym modułem różnicowo-prądowym 30mA. Ostatecznie można zastosować przejściówkę różnicowo-prądową np. taką jak na rysunku.

Jeśli domowa instalacja nie ma różnicówki, można zastosować przejściówkę z modułem różnicowoprądowym 30mA

Zabezpieczenie nr 2

Niestety, w pewnych okolicznościach porażenie prądem może nastąpić pomimo zastosowania modułu różnicowo-prądowego. Taka sytuacja będzie, gdy na przykład izolacja odsłoni oba przewody – fazowy i zerowy, lub gdy woda dostanie się do elektryki pompy lub grzałki. Wtedy należy pomyśleć o innym rozwiązaniu.
Poniżej wytłumaczę Wam jak zbudować takie urządzenie samodzielnie. Całą budowę opisałem „krok po kroku”. Jednak, jeśli nie macie wprawy w lutowaniu, możecie poprosić o pomoc zaprzyjaźnionego elektronika.
Zapewne nie raz i nie dwa zdarzyło Wam się poczuć mało przyjemne „łaskotanie” w skórę podczas prac akwariowych, zwłaszcza przy skaleczeniach na dłoniach. A już zdecydowanie mało przyjemne stawało się, gdy zanurzeni po łokcie w morskiej wodzie dotknęliście przypadkiem uziemionej, metalowej obudowy jakiegoś urządzenia, na przykład lampy. Po energicznym odskoku zazwyczaj zakrapianym dodatkowo soczystą polszczyzna, rozpoczyna się dochodzenie i poszukiwanie winnego naszych cierpień. Zazwyczaj pierwsze podejrzenie pada na przebicie izolacji któregoś z niezliczonej przecież ilości zanurzonych w naszych zbiornikach przewodów elektrycznych. Czy słusznie? Otóż nie zawsze. Co jeśli wszystko jest całe, nic nie jest popękane, w żaden sposób uszkodzone, a mimo wszystko czujemy delikatne porażenie prądem?

Prąd z niczego…

Morskie akwarium jest książkowym kondensatorem. Odizolowanym szkłem układem wypełnionym elektrolitem, czyli słona woda. Wystarczy go naładować by posiadał potencjał elektryczny. Czyli jednak przebicie? Nie! Pole elektromagnetyczne wystarczy. Tworzą je pompy, grzałki, lampy oraz same przewody, w których płynie prąd. Na dodatek nie tylko te, które są bezpośrednio zanurzone w wodzie, ale także te w bliskim sąsiedztwie naszego zbiornika. Dlaczego więc doznajemy pieszczot, których nie doświadczają mieszkańcy akwarium? A no, dlatego, gdyż potrzebna jest różnica potencjałów by popłynął prąd. W odizolowanym środowisku, pomimo obecności ładunków, potencjał jest zerowy, gdyż nie ma się, dokąd przemieszczać. Inaczej sprawa wygląda, gdy stajemy się łącznikiem pomiędzy niskim potencjałem wilgotnej od narozlewanej solanki podczas prac akwariowych podłogi, czy właśnie wspomnianej obudowy lampy, a wodą, która zgromadziła ładunki elektryczne. Mogą się wtedy przemieścić, co też z radością czynią: -) Potrzebne namacalne dowody? Weźmy, miernik napięcia. Ustawmy na pomiar napięcia zmiennego i zanurzmy obie sondy pomiarowe w akwarium. Ile? A no nic. Wiec ryba czuje nic. Ale pozostawcie jedna elektrodę zanurzona w wodzie, a druga dotknijcie bolca uziemiającego w waszym gniazdku elektrycznym lub np. niepokrytej farba części grzejnika (np. przy zaworze). I co? A no właśnie… I wcale nie mówimy tu o niskich napięciach. Okazuje się, że sporych rozmiarów akwarium domowe z dużą ilością sprzętów na 240V może indukować napięcia powyżej 100V!!!
„A ja nic nie czuje i mi dobrze z tym!” I alleluja z tego powodu!. Oznacza to, że albo masz wyjątkowo dużą oporność skóry i nie jesteś atrakcyjny dla ładunków, jako przewodnik, albo ładunki nie gromadzą się w Twoim zbiorniku, ponieważ mają którędy „uciec”. A to oznacza, ze woda jest połączona z „czymś” i nie jest to dobry zwiastun, gdyż tak być nie powinno. Lepiej mieć kontrole. I w tym artykule właśnie zajmiemy się taką „kontrolowaną ucieczką ładunków”.
Jakiś czas temu na prośbę Bartka wykonałem prosty układ uziemiający akwarium na czas prowadzonych w nim prac. Urządzenie miało, po pierwsze zabezpieczyć akwarystę przed nieprzyjemnymi ukłuciami prądu podczas wkładania rąk do wody, a po drugie miało też zabezpieczyć przed porażeniem prądem na wypadek przebicia elektrycznego np. spowodowanego potłuczoną podczas prac grzałką. Urządzenie działa już u Bartka ponad rok, więc zostałem poproszony o napisanie artykułu na temat, jakim jest porażenie prądem elektrycznym przy okazji naszego hobby.

Uziemiacz – widok urządzenia prototypowego, nazwanego robocza Dance Breaker.

Wewnętrzny wygląd uziemiacza prototypowego

Urządzenie, o którym mowa załącza uziemienie wody na czas prac przy akwarium. Zapytacie być może, dlaczego nie uziemić wody na stałe? Odpowiedź, choć mało oczywista, jest dość logiczna. Dla zbiornika i jego żywych mieszkańców nagromadzony ładunek jest obojętny, zgodnie z tym, co wskazał nam miernik. Jednak stałe uzmiennienie przeobraża nasz kondensator w przewodnik, a to już nie koniecznie musi obojętnym pozostać. Dodatkowo, taki trwały przepływ prądu będzie namiętnie zakłócał nam odczyty z sond pomiarowych, działających na zasadzie pomiaru różnicy potencjałów właśnie, czyli zdecydowanej większości elektrod używanych przez nasze komputery akwarystyczne. Osobną sprawą jest dysocjacja elektrolityczna solanki, w wyniku, której do wody mogą dostać się jony metali np. miedzi.

Opisywany tu układ jest po prostu przekaźnikiem sterowanym przełącznikiem, który zamyka obwód pomiędzy wodą, a bolcem zerowym w gniazdku elektrycznym na czas, prac z rękami w akwarium. Podczas załączonego uziemienia, co kilkanaście sekund układ będzie generował sygnał dźwiękowy, aby nie zapomnieć o jego wyłączeniu.
Najpierw oczywiście BHP :

NALEŻY BEZWZGLĘDNIE UPEWNIĆ SIĘ, ŻE BOLEC ZEROWY W GNIAZDKU JEST UZIEMIONY I NIE JEST POŁĄCZONY Z PRZEWODEM NEUTRALNYM!! DODATKOWO ZALECANE JEST POSIADANIE ZABEZPIECZENIA W POSTACI WYŁĄCZNIKA RÓŻNICOWO-PRĄDOWEGO NA GAŁĘZI INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ, DO KTOREJ MAMY PODŁĄCZONE AKWARIUM. PANIE I PANOWIE – JEST PRĄD – NIE MA ŻARTÓW.

Budowa urządzenia uziemiającego

Układ składa się z dwóch głównych bloków. Czyli elektrody uziemiającej oraz ze sterownika. W oryginale elektroda została wykonana z ok 200mm odcinka rurki o średnicy 16mm ze stali nierdzewnej gatunku 316. Jest to stal określana, jako „marine grade” i popularnie wykorzystywana w hydraulicznych instalacjach na morskich jednostkach pływających. Były obawy czy przetrwa, ale zdała egzamin doskonale. Moczy się w sumpie, jako elektroda od ponad roku obrastając rurówkami bez jakichkolwiek śladów korozji. Średnica rurki umożliwia zamocowanie jej w standardowych uchwytach do elektrod pomiarowych. Do jej końca jest przylutowany przewód i zabezpieczony kapturkiem z tworzywa oraz klejem na gorąco wewnątrz. Zamiast stali nierdzewnej można również zastosować pręt tytanowy. Absolutnie odradzam natomiast pręty żelazne, aluminiowe czy miedziane.

Rurka ze stali nierdzewnej stosowana od roku w urządzeniu prototypowym.

Aby załączyć uziemienie, wystarczy włączyć przełącznik, który powinien być umieszczony w łatwo dostępnym miejscu. Sterownik załączy przekaźnik, który zewrze elektrodę z bolcem uziemionym w naszym gniazdku elektrycznym. Nic wiec trudnego. Wystarczy wpiąć szeregowo przełącznik z zasilaniem przekaźnika i układ gotowy :-). Można jeszcze prościej. Wystarczy na czas prac w akwarium wkładać do sumpa pręt np. z tytanu, którego drugi koniec będzie połączony przewodem z bolcem gniazdka lub nóżką kaloryfera. Można, ale tak by było zbyt banalnie. Dodajmy, więc kilka użytecznych dodatków takich jak diody kontrolne LED i sygnał dźwiękowy. Moje pierwsze urządzenie zostało zamknięte w obudowie sieciowego włącznika czasowego, bo akurat miałem zepsuty timer pod ręką. Jeśli nie mamy obudowy z gotową wtyczką, możemy użyć dowolnego pudełka, z którego wyprowadzimy odpowiednie przewody.
Zbudujmy, więc nasz układ. Co nam będzie potrzebne? Garstka elementów, którą bez najmniejszych problemów możemy nabyć w każdym sklepie z komponentami elektronicznymi za kilka złotych. Oczywiście części z demobilu jak najbardziej znajdą zastosowanie w naszym projekcie. Przygotujmy, więc listę zakupów:

– Transformator sieciowy do druku. Czyli taki, który możemy umieścić na płytce PCB. W tym przypadku jest to Comelit R3020E109A7S. O napięciu wyjściowym 9 VAC i mocy 2VA.
– Przekaźnik – SRU-12VDC-SD-C – do prądów rzędu 15 A
– gniazdo poziome bezpiecznika szklanego 22.5 mm
– bezpiecznik szklany 0.1 A
– Złącze śrubowe podwójne typu WAG x 3
– Buzzer HDX – 5VDC
– Dioda czerwona 5mm
– Dioda zielona 5mm
– układ scalony NE555 w obudowie DIP-8
– kondensator elektrolityczny 100uF 25V x 3
– kondesator ceramiczny 100nF x2
– kondensator ceramiczny 10nF
– dioda 1N4148
– zespolony mostek prostowniczy RB1A
– tranzystor BC547 (SOT92 lub podobny)
– regulator napięcia L7805 (SOT92 lub podobny)
– rezystor 330 ohm 1/4W x 3
-rezystor 220 kohm
-rezystor 10 kohm

Elementy potrzebne do samodzielnej budowy uziemiacza.

Po skompletowaniu elementów, musimy podjąć decyzję, w jakiej formie dokonamy montażu. Czy będzie to pająk? Płytka uniwersalna? Czy przygotowana specjalnie płytka PCB? Ponieważ po stronie pierwotnej transformatora mamy do czynienia z napięciem sieciowym, zalecam trzecią metodę ze względu na bezpieczeństwo. Przy pająku i płytce uniwersalnej sugerowałbym zastąpienie wysokonapięciowej części układu gotowym zasilaczem 12VDC.

Schemat budowy uziemiacza. (kliknij aby powiększyć)

Schemat został narysowany w sposób umożliwiający jego łatwą adaptacje na płytce uniwersalnej. Mamy jasno widoczną „nitkę plusa” oraz masę.
Po podłączeniu zasilania 240VAC przez szklany bezpiecznik zostaje zasilone uzwojenie pierwotne naszego transformatora. Na jego uzwojeniu wtórnym pojawia się napięcie, które jest prostowane mostkiem B1 oraz „wygładzane” kondensatorami C1 oraz C2. Zapala się zielona dioda Led1, której to rezystor R1 ogranicza prąd do potrzebnych wartości. I w tym miejscu kończy nam się zasilacz. Włącznik, który przewodami możemy wyprowadzić do wygodnego dla nas miejsca, podłącza nam resztę układu. Tak więc zapala się czerwona dioda Led2 ograniczona opornikiem R2. Zostaje zasilona cewka przekaźnika K2 oraz regulator napięcia IC1. Regulator ten „tworzy” nam napięcie 5V potrzebne do prawidłowej pracy buzzera oraz scalaka NE555 z około 12V, które otrzymaliśmy z zasilacza, a które to są niezbędne dla prawidłowej pracy cewki użytego przez nas przekaźnika. Za regulatorem ponownie dwa kondensatory filtrujące C3 i C4. Część dalsza to już nasz „generator piknięć”, czyli standardowa aplikacja timera NE555 działającego w trybie multiwibratora astabilnego. Wyjście timera poprzez rezystor R3 steruje tranzystorem Q1, który włącza buzzer. I już :-) Prawda, że proste ?

Montaż układu

Płytka ma wyraźnie odizolowaną część wysokonapięciową od bezpiecznej – niskonapięciowej. Przy prawidłowo wykonanym układzie, nie istnieje ryzyko fajerwerków lub groźnych dla życia i zdrowia przygód podczas obsługi i pracy. Montaż rozpoczynamy oczywiście od najmniejszych elementów, jak rezystory i kondensatory, kończąc na przekaźniku i transformatorze. Na płytce umieściłem powiększone pady lutownicze w celu łatwiejszej pracy. Schematy płytki można pobrać na końcu artykułu.

Schemat obwodu drukowanego uziemiacza (wymiary płytki to 105.5 x 36.5mm)

Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej

Rysunek przedstawia rozmieszczenie elementów na płytce. Jest dość duża, ale dzięki temu jej montaż jest naprawdę prosty i nie sprawi nikomu żadnych problemów. Płytkę możemy wykonać wieloma metodami DIY we własnym zakresie, lub zlecić jej wykonanie za kilkanaście złotych w firmie zajmującej się tego typu zadaniami – wystarczy wpisać w Google – “obwody drukowane PCB” Ja swoją przygotowałem na potrzeby artykułu na małej frezarce cnc.

Płytka drukowana do uziemiacza wycięta na maszynie CNC.

Po kilku chwilach z lutownica, mamy ładny, zgrabny i co najważniejsze działający układ naszego uziemiacza z wodotryskami:-)

Płytka uziemiacza z zamontowanymi elementami

Po podłączeniu układu, zielona dioda daje nam znać, że w gniazdku jest prąd a urządzenie jest gotowe do pracy. Po włączeniu przycisku, przekaźnik załącza nasze uziemienie, czerwona dioda daje znać, że układ pracuje, a piknięcia z głośniczka przypominają o tym, ze jesteśmy „chronieni” jednocześnie nie pozwalając nam zapomnieć wyłączyć urządzenia po skończonej pracy. Niskie napięcia na przycisku nie zagrożą nawet mokrym paluchom.
Ten prosty układ zapewni nam nie tylko zwiększone zabezpieczenie przed wypadkiem, jakim jest porażenie prądem, ale również da nam większy komfort pracy, gdy czujemy mrowienie prądu.
A w ogóle, dlaczego to działa? A dlatego, że ładunki elektryczne bardzo chcą się poruszać, ale mają leniwą naturę i zawsze wybierają najłatwiejsza drogę. Oporność metalowej elektrody wynosi tysięczne części Ohma – ludzkiej skóry (nawet mokrej) od kilka do nawet kilkuset mega Ohmów. Ładunki te więc mają kilka miliardów powodów, by podróżować przez elektrodę, a nie naszą skórę :-)

Na poniższym filmie widać skuteczność działania prototypowego uziemiacza. Jedna elektroda miernika została zanurzona w wodzie w sumpie, a druga przymocowana do rurki kaloryfera. Uziemiacz jest co chwila włączany i wyłączany co skutkuje zmianą napięcia na mierniku.

Mam nadzieję, że w powyższym artykule wyjaśniłem najważniejsze aspekty zabezpieczenia przed porażeniem elektrycznym. Jeśli macie jakieś pytania to śmiało piszcie w komentarzach. Postaram się na wszystkie odpowiedzieć.
Pozdrawiam i bezpiecznego moczenia rąk wszystkim Wam życzę.

Łukasz „Chodi” Chodorek

Schemat płytki drukowanej uziemiacza w formacie eagle do zamówienia online:

Schemat płytki drukowanej uziemiacza PDF do termotransferu: