DECTECTOR DE HUMEDAD

Objetivos

1) Armar el circuito detector de humedad.2) Usar los instrumentos aprendidos, en un proyecto que abarque todos éstos.3) Ver el parpadeo del LED, que varía con la humedad.

Fundamento Teórico

En el mundo agrícola, dónde uno de los temas que más les interesa es saber qué tan húmeda es la tierra sobre la cual trabajarán, o también saber el grado de humedad de una tierra sobre la cual se desea construir.

Se armará un circuito el cual nos ayude a afrontar dicho problema, utilizando los equipos aprendidos durante el transcurso de la enseñanza del curso.

Dicho circuito tendrá su sentido físico en que un material seco (por ejemplo una tierra expuesta al sol) tiene una resistencia muy alta en comparación con un material húmedo (por ejemplo una arena de la orilla de mar).

Dicho instrumento puede ser usado para ver el grado de humedad de una planta y ver así si es que tiene el agua necesaria para que pueda vivir.

El diagrama del circuito estudiado se muestra en la figura 01.

FIGURA 01

De dicho circuito notamos que los circuitos más interesantes a usarse son el temporizador LM 555, el transistor 2N3904 y el relé.

Al ponerse los puntos de prueba al aire, en este caso el terminal rojo y azul, éstos tendrán una resistencia bien grande.

Cuando los puntos de prueba se colocan sobre un material, ya sea arena húmeda, entonces la resistencia entre los puntos de prueba disminuirá.

En teoría a mayor humedad, entonces habrá mayor conductividad, entonces habrá menor resistividad, entonces habrá menor resistencia entre los terminales, entonces habrá mayor frecuencia. O sea parpadearán más rápido los LED. Recordar que en el biestable se cumple que 1/f=T=Ln(2)*(R1+2*R2)*C.

De la figura 01 y recordando la teoría del Temporizador (último experimento del curso) notamos que el temporizador funcionará en el modo monoestable, ya que tiene la misma configuración.

El transistor 2N3904 se encuentra en la zona de saturación para ciertos instantes y en la zona de corte para otros ciertos instantes. Lo cual será demostrado más delante (cálculos y resultados). A continuación presentamos la hoja de característica del transistor 2N3904, el cual está dado por el fabricante:

FIGURA 02

Ahora hablemos del Relé o también conocido como Relay, éste está constituido por una bobina que en su interior se encuentra un núcleo de hierro. Ver figura 03.

FIGURA 03

Cuando pasa corriente por los terminales de la bobina, ésta empieza a crear un campo magnético, y este campo acciona la barra de arriba haciendo que la ya no esté en contacto con el punto NF si no que ahora esté en contacto con el punto NA. El paso de dicha punta del punto NF al punto NA hace un pequeño sonido. Estos pines normalmente son llamado 86 y 85 para los pines que son los terminales de la bobina, 87 y 87a para los puntos sobre el cual estará oscilando la flechita del relé y el pin 30 el cual es sobre el que nace la flechita del relé. Cuando no exista una diferencia de potencial entre los terminales de la bobina, en el interior de la bobina no se genera ningún campo y la flechita por sí sola estará unida al pin 87a, al momento de introducir una diferencia de potencial entre los terminales de la bobina, se crea un campo y este campo mueve la flechita del pin 87a hasta el pin 87, y ese transcurso de movimiento de la flechita es lo que genera un sonido.

Equipo

Temporizador LM 555.

Resistencias 3 de 1K Ω y 2 de 10K Ω.

Capacitor de 10 µF

2LEDs, uno rojo y otro verde.

Cables.

Relevador de 12V, 5 pins.

Diodos (1N4004, 1N4148).

Transistor 2N3904.

Procedimientos:

PASO 01: Comprobación del buen funcionamiento del Relé:

Identifique los pines del relé de 12V, 5 pin.

Compruebe la continuidad entre los pines 30 y 87a, cuando no hay diferencia de potencial entre los pines 86 y 85.

Compruebe la continuidad entre los pines 30 y 87, cuando hay una deferencia de potencial de al menos 12V entre los pines 86 y 85.

PASO 02: Armado del circuito Detector de Humedad:

Monte el circuito de la figura 01.

PASO 03: Determinación sobre qué zona se encuentra trabajando el transistor 2N3904:

Mida el Beta del transistor y compárelos con el beta teórico dado por el fabricante.

En el instante de haber sido encendido la fuente, anote el LED que se prende y mida los valores de: Corriente en el colector (Ic), Corriente en la base (Ib) y la diferencia de potencial entre el colector y el emisor (Vce).

Coloque los puntos de prueba sobre un material húmedo, observe el encendido y apagado de los LEDs, mida los valores de: Corriente en el colector (Ic), Corriente en la base (Ib) y la diferencia de potencial entre el colector y el emisor (Vce) cuando está encendido el LED distinto al encendido en el punto anterior.

Realice una gráfica del Vce vs t, Ic vs t e Ib vs t, cuando los puntos de prueba son puestos a un material húmedo.

Identifique en qué zona(s) se encuentra trabajando el transistor.

PASO 04: Determinación sobre que’ modo esta’ trabajando el temporizador LM 555:

Para el circuito armado en el paso 02, con ayuda del osciloscopio observe la salida del temporizador, cuando los puntos de prueba están al aire. Anote.

Ponga los puntos de prueba sobre un material húmedo y con ayuda del osciloscopio observe la salida del temporizador, anote los tiempos en que el voltaje de salida esta’ en alta y tiempo en que esta’ en baja.

Teniendo en cuenta lo aprendido en el último experimento del curso, el temporizador 555, diga en que’ modo esta’ trabajando el temporizador LM 555.

DATOS:

Los pines del relé fueron, para el relé con sus patitas hacia arriba, imagen de la izquierda de la figura 04.

FIGURA 04

85: Patita superior izquierda.

86: Patita superior derecha.

30: Patita superior intermedia.

87a: Patita inferior izquierda.

87: Patita inferior derecha.

Se comprobó’ la continuidad entre los pines 30 y 87a, cuando no hay diferencia de potencial entre los pines 86 y 85.

Se comprobó’ la continuidad entre los pines 30 y 87, cuando hay una deferencia de potencial de al menos 12V entre los pines 86 y 85.

Se monto’ el circuito de la figura 02. Ver figura 05:

FIGURA 05

Para el transistor, le medimos con el multímetro en modo hFE su Beta.

Β=367. Ver figura

FIGURA 06

Al encendido de la fuente, el LED que se enciende es el rojo y medimos que:

Vce (Voltaje colector emisor) =0.10v.

Ic (Corriente por el colector) =27.7mA.

Ib (Corriente por la base) =0.9mA.

Al poner los puntos de prueba sobre un material húmedo el LED que pasó a prenderse fue el LED verde y luego se prendía sólo el rojo luego solo el verde, el tiempo que permanece cada uno encendido dependía de la humedad del material.

Cuando el LED verde se encontraba encendido de anotó:

Vce (Voltaje colector emisor) =11.92v.

Ic (Corriente por el colector) =0mA.

Ib (Corriente por la base) =0mA.

Cuando los puntos de prueba se encuentran en el aire la salida en el temporizador (diferencia de potencial entre el pin 3 y la tierra, pin 1) es como se muestra a continuación:

FIGURA 07

Cuando los puntos de prueba se encuentran en contacto con un material húmedo, la salida del temporizador es como se muestra en la figura 08:

FIGURA 08

Para el caso en que los terminales se ponen en contacto con un papel un tanto húmedo se midió el tiempo en alta y en baja para la salida del temporizador:

Ta (Tiempo en alta) = 3.25s.

Tb (Tiempo en baja)=3.17s.

CA’LCULOS Y RESULTADOS

En el transistor 2N3904, se midió un Beta, comparémoslo con el teórico, y calculemos su porcentaje de error relativo:

Βt (Beta teórico) = 400.

Be (Beta experimental) = 367.

Entonces:

%Er (Porcentaje de error relativo) =I Bt-Be I/Bt *100% = 8.25%

La gráfica de Vce, Ic, Ib y Vs (voltaje de salida) vs t (tiempo), cuando los puntos de prueba tocan un papel un tanto húmedo se muestra en la figura 08:

FIGURA 08

De dicho gráfico anterior, figura 08, ni bien se enciende la fuente se observa que el LED que se enciende es el rojo y para ese instante se midió que Ic =27.7mA e Ib=0.9mA, o sea no se cumple Ic=B*Ib (beta = 367, ya medido anteriormente con el multímetro), mas se cumple Ib>Ic/B Y también como Vce=0.10V<1.00V. Podemos inferir que el transistor se encuentra en la ZONA DE SATURACION.

Luego al poner los terminales al material húmedo, se obtuvo que el LED rojo se apagó y pasó a estar ‘únicamente encendido el LED verde y en ese instante se tiene que Ib=0mA, o sea tiende a cero y también se midió que Vce=11.92V  ≈ Vcc, o sea podemos decir que el transistor se encuentra en la ZONA DE CORTE.

Del gráfico de la figura 08 observamos que a medida que el circuito está trabajando en la salida se obtuvo unos ondas cuadradas y teniendo en cuenta que en el modo biestable el temporizador tiene una salida de onda cuadrada, entonces podemos decir que el temporizador está funcionando en el MODO BIESTABLE.

OBSERVACIONES Y COMENTARIOS:

Observamos que ni bien se enciende la fuente y teniendo los terminales al aire el ‘único LED que se enciende es el rojo.

Observamos que al momento de introducir los puntos de prueba a un material húmedo el LED verde empezó a prenderse y luego el rojo y así sucesivamente uno a continuación de otro.

Observamos que la frecuencia con que un LED se prende a continuación de otro es que aumenta cuando los terminales están en contacto con un material muy húmedo.

Observamos que la corriente que pasa por la base, el colector, la diferencia de potencial entre el colector y el emisor y el voltaje de salida de temporizador, dependían de qué foco estaba encendido, si era el rojo o el verde.

CONCLUSIONES:

De los cálculos y resultados inferimos que el transistor estar ‘a funcionando en la región se saturación, cuando el LED rojo sea el que está encendido, en cambien el transistor estará funcionando en la región de corte cuando el LED verde sea el que esta encendido.

El porcentaje de error relativo para el Beta de transistor 2N3904 resultó 8.25% el cual es pequeño, entonces concluimos que el transistor está en perfectas condiciones.

Concluimos que tanto en el tiempo es que el LED rojo esta encendido como en el que el LED verde está encendido el temporizador está funcionando en modo biestable.