Provvisto di un elemento sensore a forchetta, è ideale per rilevare lo stato di umidità del terreno in varie applicazioni, non ultimo il controllo del benessere delle piante, ma anche la presenza d’acqua al suolo.
Rilevare l’umidità dei terreni è qualcosa di utile in molti ambiti, sia per le colture, sia, ad esempio, per capire se intorno a un’installazione elettrica vi è il rischio di dispersione propagata dall’acqua che rende il suolo umido o il pavimento di un locale bagnato. In tutti i casi, oltre al classico igrometro è possibile ricorrere a dispositivi più semplici funzionanti a soglia e in grado di fornire una segnalazione visiva e provvedere eventualmente ad un’azione locale, quando l’umidità rilevata da un apposito sensore è fuori dal campo ammesso. Un esempio è il circuito che vi proponiamo in questo articolo, che è una sorta di umidostato basato sull’insieme di una sonda realizzata su PCB e di una scheda con a bordo un comparatore e un relé. L’elemento sensore vero e proprio è appunto la forchetta a PCB, mentre il circuito che segue discrimina la condizione rilevata dalla forchetta. Il sensore di umidità è un circuito con uscita a relé e relativo diodo luminoso per la segnalazione visiva e in esso, tramite un doppio deviatore è possibile impostare l’insieme in modo che il relé scatti al superamento di una certa soglia di umidità, sia al disotto. Tutto risulterà più chiaro con la descrizione dello schema elettrico che ci apprestiamo a fare nei paragrafi seguenti.
Schema elettrico
Il circuito è basato sull’integrato LM393 che contiene due comparatori con uscita open-collector (non a caso nello schema elettrico vedete la resistenza R4 che provvede al pull-up del piedino 1…) dei quali abbiamo utilizzato quello avente come uscita il piedino 1 e come ingressi il 2 (input invertente) e 3 (ingresso non-invertente).
Il sensore a forchetta consta elettricamente di due contatti tra loro isolati, che tramite un cavetto bipolare si collegano ai contatti 1 – 2 SENS, in modo che uno vada a massa e l’altro formi, insieme alla resistenza R2, un partitore resistivo. Infatti una volta introdotti nel mezzo di cui rilevare l’umidità, i due contatti presenteranno una resistenza elettrica che farà partitore con la R2 (terminante sulla linea positiva di alimentazione del circuito) e determinerà all’ingresso invertente del comparatore U1 una differenza di potenziale tanto minore quanto più elevata sarà l’umidità del mezzo, sia esso un terreno, un filtro o altro.
Più esattamente, maggiore sarà l’umidità della terra o altro mezzo frapposto tra le punte della “forchetta” minore sarà la resistenza presente fra i contatti SENS e viceversa.
In parallelo ai contatti dove si connette il sensore a forchetta abbiamo disposto un condensatore, la cui funzione è filtrare eventuali disturbi impulsivi che i fili di collegamento potrebbero captare e che in qualche modo influenzerebbero in negativo il funzionamento del comparatore che segue.
Il comparatore U1 è collegato in maniera particolare, nel senso che è retroazionato mediante un condensatore, per effetto del quale la tensione fornita all’uscita è una rampa che dipende da quella di ingresso presente al piedino 2. Quindi il comparatore è configurato come integratore a soglia e a parità di umidità e di tensione rilevata all’ingresso, a seconda del potenziale di riferimento applicato dal trimmer al piedino 3 presenterà una tensione di uscita che salirà nel tempo fino a raggiungere la minima.
Possiamo analizzare il comportamento di questa porzione di circuito ipotizzando di partire dall’istante di accensione, ovvero da quando si dà l’alimentazione, imponendo che tutti i condensatori siano scarichi, quindi anche l’elettrolitico C2: se la tensione presente ai capi del C1 è nulla, inizialmente il piedino d’ingresso invertente (2) si trova a un potenziale minore di quello del 3, ammettendo che il cursore del trimmer sia in una posizione diversa da massa. In questa condizione il comparatore funzionerebbe da amplificatore operazionale e tenderebbe ad avere guadagno unitario a regime; il piedino 1, pertanto, partirebbe con un potenziale pari a quello presente all’ingresso non-invertente a causa della condizione iniziale del C1 (scarico) tale da portare a zero volt l’input invertente e di quella del C2 (che nella fase iniziale è un cortocircuito) per poi portarsi rapidamente a un potenziale uguale a quello di alimentazione, ossia la massima tensione positiva che lo stadio di uscita open collector dell’LM393 può presentare.
Una volta esaurito il transitorio di carica (che avviene ad opera sia del C2 sia della resistenza R2) la tensione fra le armature di detto condensatore è pari a quella di uscita del partitore formato dal sensore a forchetta e dalla R2. Ora, se il potenziale all’input invertente rimane al disotto di quello del non-invertente, l’uscita del comparatore rimane a livello alto, mentre se sale superandolo, perché l’umidità rilevata è diminuita (la terra è più secca) si inverte la condizione.
Per l’esattezza, l’uscita dell’U1 tende ad assumere il livello basso (circa il potenziale di massa…) e in tale condizione il condensatore elettrolitico C2 tende a scaricarsi per caricarsi poi con polarità opposta; questo determina inizialmente un flusso di corrente che va ad abbassare il potenziale del piedino 2, ma a regime porta C2 a caricarsi con polarità positiva su detto piedino e a stabilizzare l’uscita dell’U1 a livello basso.
Se l’umidità ritorna a salire e la resistenza vista tra i contatti SENS diviene tale da riportare il potenziale dell’ingresso invertente al disotto di quello di riferimento fornito dal cursore del trimmer R3, l’uscita del comparatore tende nuovamente a livello alto, così che il C2 nuovamente si scarica per poi caricarsi con polarità negativa verso il piedino 2 dell’LM393.
Il funzionamento dell’U1 può quindi essere visto come quello di un integratore ad alimentazione singola, dove il riferimento di tensione di uscita si può impostare mediante il trimmer in modo da stabilire quale sia il potenziale cui l’uscita tende in funzione della resistenza presentata dal sensore a forchetta.
In altre parole, volendo disegnare uno schema ideale, la resistenza di ingresso dell’integratore è quella equivalente formata dal parallelo tra la R2 e la resistenza del sensore, mentre all’ingresso non-invertente il potenziale non è nullo ma può essere traslato, in maniera da poter determinare lo stato di uscita dell’U1 in base alla tensione fornita dal sensore stesso. Notate che ad ogni transizione, l’uscita del comparatore si porta gradualmente a regime in virtù della retroazione capacitiva effettuata dal C2. Vediamo adesso la parte circuitale che segue il comparatore: la resistenza R5 porta il potenziale del piedino 1 alla sezione inferiore del doppio deviatore SW1, la cui funzione è permettere di decidere se il relé di uscita dovrà attivarsi quando l’umidità supera la soglia impostata oppure se scende sotto di essa.
Il suo funzionamento può essere spiegato analizzando le due posizioni del deviatore.
Nella prima, ossia quella di riposo proposta nello schema elettrico, l’uscita dell’U1 polarizza la base del transistor Q1, il quale essendo un NPN, va in saturazione quando R5 gli porta il potenziale presente al piedino 1 dell’LM393, ovvero quando l’umidità supera la soglia impostata e di conseguenza la tensione d’uscita del comparatore è a livello alto. L’altra sezione dell’SW1 (quella in alto nello schema) porta quindi il potenziale di collettore (circa uguale a zero) alla base del Q2, che essendo NPN anch’esso va in interdizione e lascia a riposo il relé. Quando l’umidità diminuisce, ad esempio perché la terra della pianta in cui il sensore è introdotto diventa più secca, l’uscita del comparatore va a zero, Q1 rimane interdetto e la resistenza R6 ne porta il collettore a livello alto cosicché la base di Q2 viene polarizzata e il collettore di quest’ultimo transistor alimenta la bobina del RL1, facendo scattare l’equipaggio mobile e chiudere lo scambio tra C ed NO. In questa modalità, quindi, il relé scatta quando c’è poca umidità, vale a dire se il terreno diviene troppo secco o se non viene rilevata acqua sul pavimento; lo scambio tra C ed NO si può utilizzare per alimentare un’elettrovalvola o un’elettropompa di irrigazione del terreno.
Vediamo invece cosa accade spostando il cursore dell’SW1 verso l’alto, allorché l’uscita dell’LM393 si trova a pilotare direttamente (in realtà tramite la resistenza R5) la base del Q2: quando l’umidità è tale da far superare la soglia impostata dal trimmer R3, il piedino 1 dell’U1 è a zero volt e l’NPN rimane a riposo; Q1 è ininfluente perché escluso dal circuito. Quando il livello di umidità diminuisce e la tensione di uscita dell’U1 sale a livello alto, Q2 viene polarizzato fino alla saturazione e il suo collettore alimenta la bobina del relé, provocando l’eccitazione dell’equipaggio mobile e la chiusura dello scambio tra C ed NO.
In questa modalità operativa il relé scatta quando l’umidità è eccessiva, ad esempio per la presenza di acqua al suolo o perché la terra è fradicia; lo scambio del RL1 si può impiegare per togliere alimentazione a un’elettropompa nel caso si stia controllando un annaffiatore o irrigatore automatico (in questo caso alimentato tramite C ed NC) ovvero per alimentare un’elettropompa che aspiri l’acqua da un locale allagato o un segnalatore di allarme.
Terminiamo l’analisi dello schema elettrico con l’alimentazione, che si applica tra i contatti +/- PWR cui bisogna fornire 5V ben stabilizzati, condizione necessaria affinché il circuito commuti a valori certi e le soglie siano stabili. A segnalare quando il dispositivo è alimentato, provvede il LED LD1, che polarizzato attraverso la resistenza di limitazione della corrente R1 si illumina in presenza dei 5V.
Un secondo LED, LD2, lo abbiamo collegato con il canonico resistore di limitazione della corrente (in questo caso è R7) in parallelo alla bobina del relé, così da fornirci un’indicazione visiva di quando RL1 è eccitato. In antiparallelo alla bobina del relé abbiamo posto anche il diodo D1, indispensabile per evitare che a causa della natura induttiva, all’interdizione del Q2 quest’ultimo si trovi sottoposto a un picco di extratensione inversa che ne danneggerebbe la giunzione base-collettore, rendendolo inservibile.
Realizzazione pratica
Bene, giunti a questo punto non ci resta che spendere qualche paragrafo per spiegare come costruire il dispositivo e utilizzarlo; partiamo dal circuito stampato, anzi dai circuiti, perché qui bisogna realizzare due PCB, sebbene nei disegni in queste pagine vi appaia di fatto un piano di montaggio: c’è la scheda contenente l’elettronica, ossia i componenti e poi la “forchetta” del sensore che va realizzata su circuito stampato.
In vero potete anche valutare di utilizzare un sensore a due contatti differente, quel che conta è che abbia due elettrodi lunghi in metallo collegabili ai punti SENS del nostro circuito. Partiamo dunque dal PCB del circuito principale, a doppia faccia, che può essere realizzato con il servizio PCBPRODUCTION di Futura Elettronica utilizzando i file Gerber scaricabili dalla pagina di presentazione di questa rivista.
Ricevuta la basetta iniziate a disporre i componenti partendo dalle resistenze e dal diodo al silicio, quindi inserite e saldate lo zoccolo per l’LM393 (a 4+4 piedini) ed il trimmer. Montate quindi i due transistor, i due LED e i condensatori, il doppio deviatore SW1 che è del tipo da circuito stampato, per poi terminare con il relé miniatura e la morsettiera tripolare a passo 5 mm per l’uscita. Per non sbagliare l’orientamento dei componenti polarizzati (diodi, transistor e condensatore elettrolitico) seguite il piano di montaggio che trovate in queste pagine, utile anche per posizionare correttamente l’integrato quando lo inserirete nel rispettivo zoccolo (nel farlo verificate che non si pieghi alcun terminale sotto al corpo). Completato il montaggio e verificatane l’esattezza, potete concentrarvi sul sensore, che, come accennato, è previsto si realizzi con una seconda basetta a doppia faccia con la forma di una forchetta a due punte. Ottenuto il sensore, saldate sulle sue due piazzole le estremità di una piattina di filo di piccola sezione (basta 0,5 mm1 o meno) i cui capi opposti andranno saldati nelle piazzole 1-2 SENS.
Fornite alimentazione al circuito mediante un alimentatore stabilizzato capace di erogare 5Vcc e una corrente di circa 100 mA, rispettando la polarità indicata e, se tutto sarà stato montato correttamente, vedrete illuminarsi il LED LD1 ed eventualmente, in base alle condizioni del circuito e all’attuale posizione del cursore del trimmer, anche LD2. Introducete il sensore nel terreno o collocatelo al suolo se volete rilevare la presenza di acqua, quindi impostate il doppio deviatore SW1 e registrate il cursore del trimmer R3 in modo che, per la funzione desiderata (attivazione del relé in presenza di troppa o di poca umidità) il relé sia o meno attivo. La Fig. 1 propone lo schema di collegamento del dispositivo nel caso si debba controllare un’elettropompa di irrigazione (SW1 portato in posizione che collega R5 a Q1) o di aspirazione dell’acqua (SW1 in posizione che collega R5 a Q2) che normalmente deve trovarsi a riposo.
Ricordiamo che per rilevare l’umidità della terra si deve conficcare la forchetta sensore in essa, mentre se vogliamo rilevare la presenza d’acqua al suolo dobbiamo appoggiare sdraiata a terra la forchetta, ovvero disporla perpendicolare fino a farle toccare il suolo.
