Иногда в быту возникает необходимость определить местоположение электропроводки в стенах или потолках зданий. В журнале "Радио" было опубликовано немало статей с описанием подобных устройств, как автономных [1-6], так и в виде приставок к мультиметру [7, 8]. Однако все они требуют источник питания либо питаются от мультиметра, который, впрочем, также имеет свой источник.
А нельзя ли сделать искатель, не требующий источника питания? Понятно, что такое устройство как минимум должно иметь индикатор. Также интуитивно понятно, что этот индикатор должен быть микромощным и желательно оптическим. Из всего многообразия можно выбрать газоразрядные лампы (неоновые), светодиоды и ЖКИ. У неоновых ламп ток - десятые доли миллиампера, но напряжение зажигания весьма велико - десятки вольт. Среди светодиодов можно найти приборы с током в десятые доли миллиампера и напряжением 1,5...2 В. Однако, по мнению автора, наиболее экономичные - ЖКИ. Они потребляют ток от единиц до десятков (иногда сотен) микроампер при напряжении единицы вольт. Кроме того, в отличие от светодиодов, им не нужно постоянное напряжение, значит, отпадает необходимость в выпрямителе.
Итак, индикатор выбран. Что же дальше? Как заставить его индицировать наличие переменного электрического поля, учитывая, что искатель не должен иметь гальванической связи с проводкой?
Вспомним, что обычно электрическая проводка выполнена кабелем с двумя или тремя изолированными проводами диаметром 1...2 мм в общей изоляции. Один из проводов - нулевой или нейтральный, второй - фазный с действующим (среднеквадратическим, эффективным) напряжением 230 В относительно нулевого, третий - заземление (в двухпроводном кабеле его нет). Иногда, крайне редко, встречаются ситуации, когда напряжение в сети формируется двумя фазными проводами. В любом случае можно считать, что на некотором расстоянии от проводов, превышающем их диаметр и расстояние между ними, переменное электрическое поле создано двумя проводами с напряжением 230 В между ними.
Рис. 1. Схема устройства
Учитывая, что ЖКИ, как элемент электрической цепи, подобен конденсатору [9], рассмотрим схему на рис. 1. На ней СЖКИ - ёмкость ЖКИ (одного элемента относительно общего вывода); 1 и 2 - сетевые провода; 3 и 4 - точки, к которым подключены выводы ЖКИ; С1-С4 - конденсаторы, образованные сетевыми проводами и точками подключения выводов ЖКИ. С учётом того, что, в первом приближении, на большом удалении, превышающем расстояние между сетевыми проводами, ёмкость конденсаторов С1-С4 можно считать одинаковой, получим
C = CЖКИ (UЖКИ/(Uc - UЖКИ)),
где С - ёмкость конденсаторов С1 -С4; UЖКИ - напряжение на ЖКИ; Uc - сетевое напряжение.
В качестве индикатора был выбран одноразрядный семиэлементный ЖКИ FP-056P. Измерения показали, что ёмкость его элемента g относительно общего вывода немного меньше 80 пФ, а напряжение "зажигания" элемента не превышает 3 В. Подставляя эти значения в формулу, получим, что ёмкость конденсаторов С1-С4 должна быть не менее 1 пФ. Такую ёмкость может обеспечить, например, отрезок кабеля с двумя жилами диаметром 1 мм в общей изоляции длиной приблизительно 150...200 мм на расстоянии 20 мм от сетевых проводов. Однако следует учитывать, что такой кабель имеет собственную погонную ёмкость, которую следует суммировать с ёмкостью ЖКИ, поскольку они включены параллельно. Например, измеренная погонная ёмкость кабеля с двумя жилами диаметром 1 мм, расстоянием между ними 2 мм и в ПВХ-изоляции - около 70 пФ/м. Значит, отрезок такого провода длиной 150 мм имеет ёмкость около 10...15 пФ. Проведённые эксперименты показали, что в реальных ситуациях для поиска скрытой проводки длина проводов искателя должна быть не менее 350...400 мм. С таким искателем крайне неудобно работать, кроме того, электропроводка должна иметь прямолинейные участки такой длины, что на практике выполняется далеко не всегда. Можно, конечно, провода разнести друг от друга на большее расстояние, тем самым уменьшив собственную ёмкость, но как показывают эксперименты, без снижения чувствительности длину проводов существенно уменьшить не удаётся.
А нельзя ли провода заменить чем-то другим? Из курса теоретических основ электротехники известно, что ёмкость провода над бесконечной проводящей плоскостью вдвое больше, чем у двух проводов, разнесённых на такое же расстояние. Можно предположить, что ёмкость провода, находящегося над пластиной конечной ширины, будет иметь какое-то промежуточное значение между этими крайними случаями. Следовательно, провода можно заменить пластинами, которые должны обеспечить необходимую ёмкость.
Задача расчёта ёмкости между двумя пластинами одной ширины, лежащими в одной плоскости, решена в [10]. Там же приведён график зависимости погонной ёмкости от отношения расстояния между пластинами к ширине пластины (рис. 9.4 на с. 227). Учтите, чтобы получить погонную ёмкость в пикофарадах на метр, необходимо значение ёмкости из этого графика умножить на 8,86. Предварительные расчёты показали, что для индикации наличия переменного электрического поля на расстоянии около 20 мм от проводов достаточно пластин шириной 15...20 мм (в случае более широких пластин повышается чувствительность, но увеличиваются собственная ёмкость, габариты и ухудшается точность определения "залегания" сетевого кабеля) с зазором 2...3 мм между ними и длиной 200...250 мм. Увеличение длины пластин также приводит к повышению чувствительности прибора.
Рис. 2. Чертёж печатной платы искателя
Исходя из этого, было принято решение собрать искатель на печатной плате. Её чертёж показан на рис. 2, изготовлена она из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. По середине платы параллельно широким сторонам фольга удалена на ширину 2 мм. Образовавшиеся две площадки - это точки 3 и 4 на рис. 1. Измерения показали, что ёмкость между двумя площадками длиной 205 и шириной 16,5 мм - около 6 пФ, соответственно, погонная ёмкость - около 30 пФ/м, что более чем вдвое меньше погонной ёмкости двух проводов в общей изоляции, о которых шла речь выше. К одной площадке на плате припаян общий вывод ЖКИ, к другой - вывод элемента g. Это сделано с той целью, чтобы элемент g индицировал направление расположения проводов электросети. Такой искатель уверенно "распознаёт" наличие электропроводки на расстоянии 15...20 мм, что вполне достаточно для практики.
Если кому-то недостаточно одного "зажжённого" элемента, можно подключить два, расположенных по краям, - элементы а и d (выводы 7 и 2 ЖКИ FP-056P), оставив общий вывод неподключённым. В этом случае вдвое увеличится напряжение "зажигания", зато вдвое уменьшится суммарная ёмкость ЖКИ, поскольку его элементы окажутся включёнными последовательно. Эксперименты с таким включением двух элементов показали, что действительно чувствительность искателя заметно не изменилась, но появился "неприятный" эффект, связанный с хаотичным и непредсказуемым включением неподключённых элементов, хотя его можно считать и положительным, поскольку происходит дополнительная индикация наличия переменного электрического поля.
Искателем пользоваться очень просто: необходимо плату приложить к стене и двигать, поворачивая на небольшие углы в противоположные стороны. По максимуму "свечения" элемента или элементов определяют место "залегания" электропроводки (рис. 3).
Рис. 3. Использование искателя
Повысить чувствительность (увеличить расстояние, на котором искатель "чувствует" электропроводку) можно, прикоснувшись пальцем руки к одной из площадок платы. При этом один из выводов ЖКИ через ёмкость человека соединяется с землёй. Поскольку в большинстве случаев нейтральный провод электропроводки также соединён с землёй, теоретически ёмкость конденсаторов С1 и С3 (или С2 и С4, в зависимости от того, к какому выводу ЖКИ прикоснуться) для нормальной работы искателя может быть меньше. Правда, такое возможно только в том случае, когда ёмкость человека больше ёмкости С1 и С3 (или С2 и С4), что выполняется далеко не всегда. В первую очередь, это зависит от окружающей обстановки, от расположения человека относительно заземлённых конструкций, в основном труб отопления и водопроводных или арматуры железобетонных конструкций, а также от расположения самой электропроводки. В любом случае стоит попробовать!
Литература
1. Гордеев В., Павлов Л. Как обнаружить скрытую проводку? - Радио, 1981, № 4, с. 54, 55.
2. Огнев В. Простой искатель скрытой проводки. - Радио, 1991, № 8, с. 85.
3. Вороненков В. Простой искатель скрытой проводки. - Радио, 2002, № 1, с. 56.
4. Макеев Д. Малогабаритный искатель скрытой проводки. - Радио, 2004, № 3, с. 56, 57.
5. Потапчук М. Микроконтроллерный искатель проводки. - Радио, 2006, № 2, с. 44, 45.
6. Нечаев И. Искатель скрытой электропроводки на основе газонного светильника. - Радио, 2014, № 4, с. 48, 49.
7. Нечаев И. Искатель скрытой проводки на базе цифрового мультиметра. - Радио, 1998, № 5, с. 41, 42.
8. Подушкин И. Простой искатель скрытой проводки - приставка к мультиметру. - Радио, 2013, № 6, с. 33, 34.
9. Юшин А. Жидкокристаллические цифрознаковые индикаторы. - Радио, 1985, № 6, с. 59, 60.
10. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчёт электрических и магнитных полей. Пер. с англ. - М.: Энергия, 1970.
Автор: И. Подушкин г. Москва