Anleitung zum Bau einers Feuchtigkeitsmelders

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Schaltstufe – Wasserstandmelder - Feuchtesensor
Wir möchten eine einfache Schaltung mit Transistoren
bauen, die auf Feuchtigkeit reagiert. Beschrieben wird der
Aufbau in Reißnageltechnik auf einem Sperrholzbrettchen.
Bauteile: LED grün, Vorwiderstand (erst noch berechnen),
Transistor, Schutzwiderstand 1 kW, Reißnägel
Wir schneiden uns ein Stück Papier zurecht, das auf das
Sperrholzbrettchen passt. Darauf zeichnen wir den
Schaltplan und befestigen das Papier mit den Reißnägeln.
Die Schaltstufe soll in die rechte Brettchenhälfte weil links
noch eine Ergänzungsschaltung angefügt wird.
Zunächst berechnen wir den Vorwiderstand zur LED. Wir betreiben die Schaltung mit 4,5 V.
Leuchtet die LED hell, so muss ein Strom von ca. 10-20 mA fließen (je nach Typ).
Wenn der Transistor ganz durchschaltet, so liegt die ganze Batteriespannung von 4,5 V an der
Reihenschaltung LED und Vorwiderstand.
Die Spannung, die an einer LED beim Betrieb zu messen ist
etwa 2V je nach Farbe (ULED =2V)
Dann muss am Widerstand die Spannung UR = 4,5V – 2V
= 2,2V liegen. (Reihenschaltung) Die Spannungswerte in
die Skizze rechts eintragen.
Berechnung des Vorwiderstands:
U
2,5V
U  RI  R 

 250
I
0, 01A
Wir wählen den Widerstand R =220Ω oder 270Ω je nach Ausrüstung.
Wir löten die LED (Polung beachten) und den Vorwiderstand auf drei
Reißnägel. Die Reihenfolge ist egal. Dabei eine Stelle des Reißnagels etwas
verzinnen, das Bauteil dranhalten und verlöten. Darauf achten, dass wenig
Zinn im Spiel ist. Bauteile werden möglichst flach aufgelötet. Die
überflüssigen Drahtteile werden mit dem Seitenschneider abgeschnitten.
Wir testen die Schaltung (LED und Vorwiderstand) auf Funktion. Leuchtet
die LED, wenn die Spannung richtig angeschlossen ist?
Wir benutzen den Transistor BC 547
oder einen dazu kompatiblen npn
Transistor. Die Anschlüsse sind im
Bild links zu sehen ( Flache Seite nach
oben legen, wie im Bild.)
Wir ergänzen die Schaltung um den
Transistor und löten an die Basis einen
1 kW Schutzwiderstand an. Der
Emitter ist der Anschluss mit dem Pfeil. Er wird an
den Minuspol geschaltet. Der Kollektor wird Richtung
Plus angelötet.
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Test der kompletten Schaltung :
Verbindet man den Schutzwiderstand von 1 kW mit dem Finger mit dem Plus-Pol, so muss
die LED schwach leuchten. (Siehe Bild auf Seite 1 unten rechts)
Zum Verstehen der Funktionsweise der Schaltung :
Funktionsweise eines Transistors als Schalter : Ist die Spannung UBE eines Transistors
größer als 0,7 V, so Schaltet die Strecke E – C durch ( Schalter E – C ist geschlossen). Ist
UBE < 0,7 V, so sperrt der Transistor (Schalter E – C ist offen) Durch die Verbindung mit
unseren Fingern verbinden wir die Basis mit dem
Pluspol. Da unser Körper einen hohen
Widerstand hat, fließt nur ein kleiner Strom von
einigen µA. Dieser Strom wird vom Transistor
verstärkt und es kann ein kleiner Kollektorstrom
fließen (ca. 1mA), der die LED schwach leuchten
lässt.
Wir löten an den Plus-Pol und an den
Schutzwiderstand eine je eine dünne Litze. Wenn
beide Enden der beiden Litzen in das Wasser
tauchen, so leuchtet die LED hell auf.
Erklärung : Wasser leitet gut. Deshalb fließt ein
größerer Strom über die Basis. Damit steigt auch
der Kollektorstrom und die LED leuchtet hell.
Wir messen mit einem Spannungsmesser die
Spannung zwischen Emitter (Minus) und dem
Kollektor, wenn die Litzen im Wasser sind. Das
Ergebnis ist U KE = 0V (der Schalter K-E ist geschlossen) Sind die Litzen nicht beide im
Wasser, so sperrt der Transistor und die Spannung steigt auf U KE = 4,5V. Diesen Sachverhalt
nutzen wir zur Steuerung einer weiteren Schaltstufe.
Übrigens ändert sich die Spannung U KE auch, wenn die Litzen die Feuchtigkeit auf einem
nassen Blatt Papier oder die Feuchtigkeit von Blumenerde ausnutzen.
Schaltungsergänzung :
Wir nützen nun die Spannungsänderung
am Kollektor (U KE ) von Transistor 1 aus
und schalten damit eine zweite
Transistorstufe. Die rote LED schalten
wir nun zwischen Emitter und Minus.
Den Widerstand zwischen Kollektor und
Pluspol. Das bewirkt, dass die LED erst
leuchtet, wenn die Spannung zwischen
Minus und Basis von T2 etwa 2, 7 Volt
beträgt. Dann sperrt aber Transistor 1
schon fast vollständig. Es leuchten also
nur in einem kleinen Bereich beide
Leuchtdioden gleichzeitig. Wen dies stört,
kann die Schaltschwelle noch durch eine zweite rote LED oder durch eine Diode in Reihe mit der
roten LED schalten. Dabei auf die Betriebsspannung achten. (Siehe Hinweis am Ende) Die
Widerstände an der Basis können ohne Funktionsänderung auch 10kΩ betragen.
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feuchtes
Papier
Litzen
Als Anschluss an die Spannungsquelle können wir eine rote Litze und eine schwarze oder blaue Litze
von etwa 20-30 cm Länge anlöten. Zum Anschluss an die Flachbatterie kann man eine Büroklammer
anlöten, die dann auf den Batterieanschluss geklemmt wird.
Teste die Schaltung, indem beide Litzen im trockenen, auf feuchtem Papier, in feuchter Erde oder im
Wasser sind.
Die rote LED leuchtet erst, wenn die Spannung zwischen Minus und Basis von Transistor 2 auf 2,7
Volt angewachsen ist, wenn also Transistor 1 gerade sperrt. Eine LED leuchtet ab etwa 2V, bei einer
Diode startet der Stromfluss erst bei 0,7V. Damit der Transistor durchschaltet, muss die
Mindestspannung zwischen Basis und Emitter ebenfalls 0,7V sein (Basis-Emitter-Diode). Deshalb ist
die Spannung zwischen Basis und Emitter am Transistor 2 : U BE = 2 V + 0,7 V = 2,7 V.
Mit einer weiteren LED in Reihe wäre U BE = 2 V +2V+ 0,7 V = 4,7 V. Das geht aber mit einer 4,5 V
Batterie nicht mehr. Dann sollte die Schaltung mit einer 9V Batterie betrieben werden. (Dann sollten
auch die Vorwiderstände für die LEDs auf etwa 500Ω bis 700Ω erhöht werden.)
Einsatzmöglichkeiten der Schaltung :
 Feuchtigkeitsmelder
 Blumengieß-Warn-Schaltung
 Füllstandanzeige
 Automatische Füllanlage (LED Rot durch eine Pumpe ersetzen)
Natürlich wurde hier nicht darauf geachtet, Energie zu sparen. Im Dauereinsatz ist die Batterie schnell
erschöpft, weil ja immer eine LED leuchtet und damit immer ein kleiner Strom fließt. Es soll eine ja
nur eine einfache Transistorschaltung für Elektronik-Anfänger sein.