Wasserleck-Detektor-Schaltung: Funktionsweise und warum Sie sie brauchen

Schaltplan des Wasser-Detektors

Im Folgenden sehen Sie eine schematische Darstellung dieser Schaltung. Schaltpläne können variieren, aber die grundlegende Darstellung ist unten abgebildet.

Abbildung 1: Schaltplan eines Wasser-Detektors

Hinweis: Die oben dargestellte Schaltung verwendet einen LM339-Komparator, um die Spannung an der Messsonde mit der Referenzspannung V_REF zu vergleichen. Wir gehen davon aus, dass die Schaltung dazu dient, Änderungen des Wasserstands in einem Schwimmbad oder Teich zu überwachen.

Dafür benötigen Sie in der Praxis eine Messsonde und eine Erdsonde, wie in der folgenden Illustration gezeigt.

Abbildung 2: Aufbauillustration des Wasser-Detektors

Bei den Sonden handelt es sich in diesem Fall um Steckbrücken für Breadboards.

Bauteile der Wasser-Detektor-Schaltung

Aus dem obigen Schaltplan lassen sich folgende elektronische Bauteile identifizieren:

• R1 bis R5 – Ohm-Widerstände
• Q1 – 2N3904 Transistor
• C1 – 0,1 µF Kondensator
• Diode D1 / Grüne LED
• T1 – BC557 PNP-Transistor
• U1 – LM339 Komparator-IC

Wie funktioniert die Schaltung?

Abbildung 3: Ein Techniker arbeitet an einer Schaltung

Wie bereits erwähnt und in den Schaltbildern dargestellt, ist der LM339-Komparator von zentraler Bedeutung. Ebenfalls erwähnenswert ist die Spannungssonde, die wir zuvor als Messsonde eingeführt haben.

Die Spannung an dieser Sonde hängt primär davon ab, ob sie mit Wasser in Kontakt steht oder nicht.

Im offenen Stromkreis (Sonde nicht im Wasser) beträgt die Spannung an der Messsonde 5 V, wie im Schaltplan dargestellt.

Da der Eingangswiderstand des Komparators sehr hoch ist, fließt nur ein winziger Strom durch R3. Die Spannung an diesem Widerstand beträgt somit 0 V. Daher entsprechen die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators und die Spannung an der Messsonde beide 5 V.

Spannungsteiler

Sobald die Messsonde Kontakt mit Wasser hat, entsteht ein Widerstand zwischen Erdsonde und Messsonde. Dieser Widerstand bildet einen Spannungsteiler zwischen der Sondenspannung und der Erdspannung.

Diesen Widerstand bezeichnen wir als R_WATER.

Die folgende Abbildung zeigt, wie sich der Wasserwiderstand ergibt, wenn die Sonde Wasser berührt.

Abbildung 4: Illustration des Wasserwiderstands

Schaltgleichungen für die Spannung an der Sensorsonde V_PROBE:

Ist R_WATER kleiner als 1 MΩ, liegt die Spannung an V_PROBE unter 2,5 V. Wir gehen davon aus, dass Wasser einen Widerstand von weniger als 1 MΩ aufweist, da es sich nicht um gereinigtes Wasser handelt.

Der Widerstand von reinem Wasser ist höher als der von unreinem Wasser.

Daher lässt sich anhand der Spannungspegel feststellen, ob die Messsonde mit Wasser in Kontakt steht: Liegt die Spannung über 2,5 V, ist die Sonde nicht im Wasser. Liegt sie unter 2,5 V, besteht Kontakt mit Wasser.

Diese Spannungsvergleiche sind durch den Komparator möglich. Die Referenzspannung wird durch die beiden 100-kΩ-Widerstände R1 und R2 erzeugt. Da nur ein winziger Strom in den hochohmigen nicht-invertierenden Eingang des Komparators fließt, bilden diese Widerstände einen Spannungsteiler, der 2,5 V Referenzspannung liefert.

Abbildung 5: Ein Poolexperte bei routinemäßigen Wartungsarbeiten

Komparatoren

Der LM339 enthält vier Komparatoren; in dieser Schaltung wird nur einer benötigt. Ein wichtiges Merkmal der LM339-Komparatoren sind ihre Open-Collector-Ausgänge.

Wenn V_PROBE kleiner als die Referenzspannung ist, wird der Ausgang des Komparators hochohmig (floating). Übersteigt die Sondenspannung die Referenzspannung, zieht der Komparator seinen Ausgang auf Massepotenzial.

Ein weiterer wichtiger Baustein ist Transistor Q1. Wenn V_PROBE > V_REF ist, verbindet der Komparator seinen Ausgang mit Masse. Folglich fließt kein Basisstrom durch Q1, der Transistor sperrt, und die LED leuchtet nicht, solange die Sonde nicht im Wasser ist.

Der umgekehrte Prozess tritt ein, wenn V_PROBE < V_REF ist: Der Komparator-Ausgang wird hochohmig, Basisstrom fließt, Q1 leitet, und die LED schaltet ein.

Widerstand R4 sorgt dafür, dass der Transistor in Sättigung geht und die LED zuverlässig einschaltet, sobald die Messsonde Wasser berührt.

Wie testet man die Schaltung?

Abbildung 6: Eine grüne LED

Nach dem Aufbau der Schaltung wie oben beschrieben erfolgt der Test: Zunächst wird die Erdsonde ins Wasser getaucht, die Messsonde jedoch nicht. Die grüne LED bleibt aus.

Anschließend wird auch die Messsonde auf die Wasseroberfläche gesetzt, während die Erdsonde im Wasser bleibt. Nun leuchtet die grüne LED auf.

Mit diesen zwei einfachen Tests lässt sich prüfen, ob die Schaltung funktioniert. Als Sonden dienen hier Breadboard-Drähte, die für einen einfachen Feuchtesensor ausreichen.

Für anspruchsvollere Projekte sollte geprüft werden, ob die Sondenmaterialien korrosionsbeständig sind. Zudem ist ein Upgrade der Basis-Komponenten ratsam, um die Detektionszuverlässigkeit zu erhöhen.

Gibt es eine alternative Schaltung?

Abbildung 7: Ein Elektriker baut eine Schaltung zusammen

Es existiert eine Alternative: Dabei werden die Eingänge des Komparators vertauscht. Die elektrischen Grundprinzipien bleiben jedoch dieselben, es sind nur wenige Anpassungen nötig.

Fazit

Ein konstanter Wasserstand ist in vielen Anwendungen essenziell. Wir haben gezeigt, wie dies mit einer einfachen Wasser-Detektor-Schaltung erreicht werden kann.

Sie können dies als Studienprojekt ausprobieren. Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.