Equipado con un elemento sensor en forma de tenedor, este circuito sirve para detectar el nivel de humedad del suelo en distintas aplicaciones: monitorear la salud de las plantas, pero también detectar presencia de agua sobre el piso.
Medir la humedad del suelo es útil en muchos campos, tanto para cultivos como, por ejemplo, para determinar si existe riesgo de filtración de agua alrededor de una instalación eléctrica, donde tierra húmeda o un piso mojado pueden ser un peligro. En todos esos casos, además del clásico higrómetro, se pueden usar dispositivos más simples basados en umbral, que entregan una indicación visual y, si hace falta, disparan una acción local cuando la humedad detectada por el sensor queda fuera del rango permitido.
El circuito que se presenta acá es de ese tipo: una especie de humidostato basado en una sonda de placa impresa y una tarjeta que aloja un comparador y un relé. El elemento sensor propiamente tal es el tenedor de PCB, mientras que el circuito que le sigue discrimina la condición detectada. A través de un doble interruptor se puede configurar el conjunto para que el relé se dispare cuando se supera cierto umbral de humedad o cuando se cae por debajo de él.
¿Cómo funciona el esquema?
El circuito se basa en el integrado LM393, que contiene dos comparadores con salidas en colector abierto (no por casualidad se ve en el esquema la resistencia R4 haciendo de pull-up en el pin 1). De esos dos usamos el que tiene el pin 1 como salida y los pines 2 (entrada inversora) y 3 (entrada no inversora) como entradas.
La sonda tipo tenedor consiste eléctricamente en dos contactos aislados entre sí que, mediante un cable de dos conductores, se conectan a los contactos 1-2 SENS. Uno va a masa y el otro forma, junto con la resistencia R2, un divisor resistivo. Una vez insertados en el medio cuya humedad se quiere medir, los dos contactos presentan una resistencia eléctrica que forma ese divisor con R2, terminado en la línea positiva de alimentación, y determina en la entrada inversora del comparador una diferencia de potencial que es más baja mientras mayor sea la humedad del medio, sea tierra, un filtro u otra cosa.
Dicho con más precisión: mientras mayor sea la humedad del suelo entre las puntas del tenedor, menor será la resistencia entre los contactos SENS, y viceversa.
En paralelo con los contactos donde se conecta la sonda pusimos un condensador cuya función es filtrar el ruido impulsivo que los cables de conexión puedan captar y que de otro modo afectaría negativamente el funcionamiento del comparador.
El comparador trabaja como integrador
El comparador U1 está conectado de una manera particular: tiene realimentación mediante un condensador, así que la tensión en su salida es una rampa que depende de la tensión de entrada en el pin 2. Queda configurado, entonces, como un integrador de umbral, y para un mismo nivel de humedad y una misma tensión de entrada, según el potencial de referencia que el trimmer aplique al pin 3, presentará una tensión de salida que sube en el tiempo hasta alcanzar el mínimo.
Podemos analizar el comportamiento de esta parte del circuito asumiendo que partimos desde el instante de encendido, con todos los condensadores descargados, incluido el electrolítico C2. Si la tensión sobre C1 es cero, inicialmente el pin inversor (2) está a un potencial más bajo que el pin 3, suponiendo que el cursor del trimmer esté en una posición distinta de masa. En esa condición el comparador actúa como un amplificador operacional y tiende a ganancia unitaria en régimen permanente.
Una vez terminado el transitorio de carga, que ocurre a través de C2 y de la resistencia R2, la tensión sobre ese condensador iguala a la salida del divisor formado por la sonda y R2. Si el potencial en la entrada inversora se mantiene bajo el de la no inversora, la salida del comparador queda en nivel alto; si sube por encima, porque la humedad detectada bajó y el suelo está más seco, la condición se invierte.
En ese caso la salida de U1 tiende a tomar el nivel bajo, cercano al potencial de masa, y el electrolítico C2 se descarga para luego cargarse con polaridad opuesta. Eso provoca inicialmente una corriente que baja el potencial del pin 2, pero en régimen permanente estabiliza la salida de U1 en nivel bajo. Si la humedad vuelve a subir y la resistencia entre los contactos SENS baja lo suficiente, la salida vuelve a tender al nivel alto y el ciclo se repite en sentido inverso.
¿Riego o alarma de inundación?
Veamos ahora la sección que sigue al comparador. La resistencia R5 lleva el potencial del pin 1 a la sección inferior del doble interruptor SW1, cuya función es dejar que uno decida si el relé de salida debe activarse cuando la humedad supera el umbral fijado o cuando cae por debajo.
En la posición de reposo que muestra el esquema, la salida de U1 polariza la base del transistor Q1, que al ser NPN entra en saturación cuando R5 le lleva el potencial del pin 1 del LM393, es decir, cuando la humedad supera el umbral. La otra sección de SW1 lleva entonces el potencial de colector, cercano a cero, a la base de Q2, que también es NPN, queda en corte y deja el relé en reposo.
Cuando la humedad baja, por ejemplo porque la tierra de la planta se seca, la salida del comparador va a cero, Q1 queda en corte y la resistencia R6 lleva su colector a nivel alto. Con eso se polariza la base de Q2, cuyo colector alimenta la bobina del relé RL1 y cierra el contacto entre C y NO. En este modo el relé se dispara cuando hay poca humedad, y ese contacto se puede usar para alimentar una electroválvula o una bomba de riego.
Al mover el cursor de SW1 hacia arriba, la salida del LM393 pasa a manejar directamente, a través de R5, la base de Q2. Cuando la humedad supera el umbral fijado por el trimmer R3, el pin 1 de U1 queda a cero volt y el NPN permanece en reposo. Cuando el nivel de humedad baja y la tensión de salida de U1 sube, Q2 se satura y energiza la bobina del relé.
En este segundo modo de operación el relé se dispara cuando la humedad es excesiva, por ejemplo por presencia de agua en el piso o porque el suelo está saturado. El contacto de RL1 se puede usar para cortar la alimentación de una bomba, si se controla un riego automático, conectándola a través de C y NC, o para alimentar una bomba que succione agua de una sala inundada, o para activar un indicador de alarma.
Alimentación y protecciones
Cerramos el análisis del esquema con la alimentación, que se aplica entre los contactos +/- PWR y a la que hay que entregar 5 V bien estabilizados, condición necesaria para que el circuito conmute en valores precisos y los umbrales sean estables. El LED LD1 señala cuándo el equipo está energizado: polarizado a través de la resistencia limitadora R1, se enciende en presencia de los 5 V.
Un segundo LED, LD2, va conectado con su resistencia limitadora, en este caso R7, en paralelo con la bobina del relé, para dar indicación visual de cuándo RL1 está activado. En antiparalelo con la bobina pusimos además el diodo D1, indispensable para evitar que, por la naturaleza inductiva de la carga, Q2 quede sometido al pico de sobretensión inversa que lo dejaría inutilizable al entrar en corte.
Cómo se construye
Llegados a este punto queda explicar cómo armar el dispositivo. Partamos por el circuito impreso, o más bien las placas, porque acá hay que fabricar dos PCB: la que contiene la electrónica, es decir los componentes, y el tenedor sensor, que también debe hacerse sobre placa impresa.
En rigor, se puede usar otro sensor de dos contactos; lo que importa es que tenga dos electrodos metálicos largos que se puedan conectar a los puntos SENS del circuito. La placa principal es de doble cara y se puede fabricar con los archivos Gerber que la revista pone a disposición.
Una vez recibida la placa, hay que empezar a montar los componentes por las resistencias y el diodo de silicio, luego insertar y soldar el zócalo del LM393 (4+4 pines) y el trimmer. Después se montan los dos transistores, los dos LED y los condensadores, el doble interruptor SW1 en versión para circuito impreso, y se termina con el relé miniatura y la bornera de tres polos con paso de 5 mm para la salida.
Para no equivocarse con la orientación de los componentes polarizados (diodos, transistores y el condensador electrolítico) conviene seguir el plano de montaje, que también sirve para ubicar correctamente el integrado al insertarlo en su zócalo, verificando que ningún terminal quede doblado bajo el cuerpo.
Terminado el armado y verificada su corrección, viene el sensor, que como se dijo se fabrica con una segunda placa de doble cara con forma de tenedor de dos puntas. Una vez listo, se sueldan los extremos de una cinta de conductores de sección pequeña, con 0,5 mm² o menos basta, a sus dos pads, y los extremos opuestos van soldados a los pads 1-2 SENS.
Qué considerar antes de enterrarlo
Un punto que el proyecto original no aborda y que conviene tener presente: una sonda resistiva de contacto directo con el suelo sufre corrosión electrolítica, porque la corriente continua que circula entre los electrodos deposita material. En riego permanente eso acorta la vida útil de la sonda a semanas o pocos meses, según el pH y la salinidad de la tierra. Las alternativas son alimentar la sonda solo durante la medición o migrar a una sonda capacitiva, que no expone metal al medio.
El LM393 es, además, un integrado que se consigue por unos pocos cientos de pesos en cualquier distribuidor de electrónica en Chile, lo mismo que el relé miniatura y los transistores NPN de señal, así que el costo del proyecto queda dominado por la fabricación de las dos placas, no por los componentes.
