Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (663 artikelen): Nabouw: regenbel

(gepubliceerd op 14-07-2019)

Dit is een eenvoudig, maar nuttig project voor de beginnende elektronica-hobbyist. Laat op verfrissende zomernachten uw ramen wagenwijd openstaan. Als het gaat regenen wordt u wakker van deze regenbel en kunt u de ramen weer op de kiepstand zetten of sluiten.

Het principe van de regenbel

Water geleidt de elektriciteit (een beetje)
Het ontwerp is gebaseerd op de omstandigheid dat regenwater een bepaalde elektrische geleidbaarheid bezit. Zuiver water, zoals gedestilleerd water, geleidt in principe nauwelijks. Het regenwater ontleent zijn geleidbaarheid aan de chemische troep die door de industrie en door ons met veel enthousiasme in de lucht wordt geloosd. De regendruppels vangen deze deeltjes tijdens hun val naar de aarde op.

Het blokschema van de schakeling
De schakeling is, zie de onderstaande figuur, opgebouwd uit drie delen, te weten een sensor, een versterker en een alarmschakeling. Deze laatste bestaat uit een oscillator en een luidspreker. De schakeling wordt gevoed uit 9 V batterijen en is dus, ondanks de vochtige omgeving waar zij wordt toegepast, volledig ongevaarlijk.

De elektronica van de regenbel

De schakeling van de sensor en versterker
De sensor bestaat, zie de onderstaande figuur, uit een speciaal printplaatje waarop koperbanen zijn geëtst die als twee vorken in elkaar grijpen. Een van deze vorken is met massa verbonden. De bovenste vork ligt via een grote weerstand R1 aan een spanning van +9 V. Als er geen water op de sensor ligt is de weerstand van dit element heel groot. Het materiaal van het printplaatje geleidt immers niet. Het gevolg is dat de 9 V via de weerstanden R1 en R2 aan de basis van transistor T1 ligt. Dit is een PNP transistor en zoals u wel weet gebeurt er in zo'n halfgeleider niets als de basis op dezelfde spanning staat als de emitter. Dit is in dit geval zo, want de emitter ligt via de tweede transistor eveneens aan de +9 V. Gevolg is dat beide transistoren in rust zijn, ze laten geen stroom door, over de weerstand R4 staat geen spanning.

Als er een druppel hemelwater op de vorkjes van de sensor valt, zal punt A via de weerstand van die druppel met de massa van de schakeling worden verbonden.
Gevolg is dat de elektrische stroom op twee manieren van de +9 V naar de massa kan vloeien. Eerst via R1 en de waterweerstand, maar dat is verder zonder betekenis. Interessanter is dat er stroom gaat vloeien naar de massa via de basis/emitter-overgangen van de beide transistoren, R2 en de waterweerstand. Omdat de weerstand van de waterdruppel zeer groot is, zal er slechts een klein stroompje via de weerstand R2 door de basis van T1 vloeien. Dank zij de stroomversterking van dit onderdeel zal er door de collector van T1 een stroom van een paar mA vloeien. Deze stroom vloeit uiteraard ook door de basis van transistor T2. Ook deze transistor versterkt, zodat door de emitter/collector-overgang van deze halfgeleider een flinke stroom vloeit.
Deze stroom vloeit ook door de weerstand R4. Reeds de Heer Ohm wist dat als er door een weerstand stroom vloeit, er over die weerstand een spanning ontstaat. De flinke collectorstroom van de transistor T2 zorgt er voor dat over de weerstand R4 bijna de volledige 9 V voedingsspanning staat.
Als besluit kunt u dus zeggen dat, als gevolg van een druppel water op de sensor, er een spanning van ongeveer 9 V over R4 ontstaat. De weerstand R2 dient ter beveiliging van de schakeling. Was deze er niet en worden de vorkjes van de sensor per ongeluk met een metalen voorwerp doorverbonden, dan zouden de beide transistoren dit incident niet overleven.

De schakeling van de oscillator
De oscillator is in de onderstaande figuur afgebeeld. Dit is een zogenaamde astabiele multivibrator. Deze schakeling is opgebouwd uit twee transistoren T3 en T4 en twee vertragende netwerken. Deze netwerken bestaan uit een condensator en een weerstand, namelijk R6-C1 en R7-C2. Populair uitgelegd kunt u de transistoren vervangen door schakelaars die om beurten open en dicht gaan. Het ritme waarin dat geschakel gebeurt wordt bepaald door de vertragende netwerken. Als T3 gesloten is vloeit er uiteraard stroom door weerstand R5. Transistor T4 is open, er vloeit geen stroom door de luidspreker LS1 en R8. Na een bepaalde tijd opent T3 en sluit T4. Het gevolg is dat er stroom vloeit door weerstand R8 en de luidspreker. De conus van deze laatste wordt aangetrokken. De luidspreker produceert een tik. Als nu het omschakelen van de transistoren maar snel genoeg gebeurt wekt de luidspreker zoveel tikjes per seconde op dat dit hoorbaar wordt als een fluittoontje. Dit omschakelen hebt u zélf in de hand. U moet de waarde van de onderdelen in de vertragende netwerken juist kiezen.
Het zal duidelijk zijn dat de genoemde tijdvertragende netwerken niet willen werken als ze niet worden gevoed. De weerstanden R6 en R7 krijgen deze hoogst noodzakelijke voeding van de spanning die over de weerstand R4 opgebouwd wordt als de sensor nat wordt. De luidspreker laat dus alleen zijn piepje horen als een regendruppel op de sensor valt.
De weerstand R8 en de diode D1 zijn niet noodzakelijk voor de fundamentele werking. Ze zorgen slechts voor een gestroomlijnde werking van het systeem.

Het volledige schema
In de onderstaande ﬁguur is het volledige schema van de regenbel getekend. Er zijn enige uitbreidingen aangebracht. De schakeling wordt gevoed uit een spanning van 9 V door middel van zes is serie geschakelde type-AA batterijtjes. De schakelaar S1 is de AAN/UIT-schakelaar. Over de sensor is een druktoets S2 aangebracht in serie met de weerstand R3. Dit is een testcircuitje. Als bij indrukken van de knop geen fluittoontje wordt opgewekt wordt het tijd de batterijen te vervangen.
Voor T4 wordt geen BC549C toegepast, maar een BC140. Deze transistor moet immers wat meer vermogen kunnen verwerken. Hij moet de smalle stroompulsjes die door de luidspreker vloeien zonder problemen kunnen aan- en uitschakelen. De luidspreker is een miniatuur (8 cm diameter) model met een impedantie van 15 Ω of 25 Ω.
Het stroomverbruik van de schakeling in rust bedraagt 15 μA, als er gepiept wordt stijgt de verbruikte stroom tot 150 mA. De 6 x 1,5 V type AA batterijen kunnen dus zeer lang meegaan.

De bouw van de regenbel

De sensor en de print
De sensor en het printje voor de elektronische schakeling vormen één geheel dat in de onderstaande figuur is voorgesteld. Omdat wij dit een typisch project vinden voor de nog niet zo ervaren elektronica-hobbyist hebben wij zowel de soldeereilandjes als de printbaantjes extra groot en dik uitgevoerd. Het gevolg is dat iets te lang belichten en/of etsen tóch een bruikbare print oplevert. Eerste handeling is het geëtste printje in twee gelijke delen zagen. Omdat de koperen baantjes van de sensor moeten geleiden en deze baantjes nog bedekt zijn met de fotogevoelige laklaag moet u dit printje met een schuursponsje van deze laklaag bevrijden. Geen Lötlack op spuiten!

Het bestukken van de print
Daarna kan de opbouw van het printje beginnen. De componentenopstelling is in de bovenstaande afbeelding voorgesteld. Als AAN/UIT-schakelaar doet een groot model schuifschakelaar dienst. Deze wordt met twee lange schroeven en 15 mm afstandsbusjes op de print gemonteerd, zie de onderstaande figuur. Eerst worden echter aan de zes soldeerlipjes één centimeter lange draadjes gesoldeerd. Tijdens de montage van de schakelaar worden deze draadjes door de printgaatjes gestoken. Nadat de schakelaar vastgeschroefd is, kunt u deze draden op de print solderen. De montage van de drukknop, een miniatuur type, gaat op dezelfde manier. Aan de twee soldeerlipjes worden draadjes gesoldeerd en daarmee wordt de schakelaar op de print gesoldeerd.
Als u de print in een kastje wilt monteren is het noodzakelijk dat de beide schakelaars op dezelfde afstand van de print gemonteerd staan.
De montage van de elektronische onderdelen is probleemloos. Let wel op de polariteit van de beide elco's.

Omvormen tot een handig apparaatje
U kunt de print van de regenbel, samen met het luidsprekertje en de batterijen, in een Teko model P3 kastje inbouwen. In het aluminium frontplaatje boort en vijlt u de gaatjes voor de drukknop, de schuifschakelaar en de vier bevestigingsschroeven voor de print. In het frontplaatje komt nu nog een groot gat voor de luidspreker. Als u daar geen handigheid in hebt kunt u ook een groot aantal kleine gaatjes boren. Die laten het geluid ook goed door en als u een mooi luidsprekerroostertje voor deze gaatjes monteert ziet u daar niets van. De zes 1,5 AA batterijtjes vinden een plaatsje op de bodem van het kastje in een mooie batterijhouder, zie onderstaande foto.

De rode draad van deze batterijhouder is de positieve pool. De zwarte draad gaat naar de GND-aansluiting op de print. Via een gat in de wand van de behuizing kunt u het kabeltje voor de sensor naar buiten voeren. De sensor zélf kunt u op de vensterbank of tegen de buitenmuur van uw huis bevestigen. Als de verbinding tussen de sensor en de schakeling lang is, kan het beter zijn de verbinding te maken met een afgeschermde kabeltje. De buitenste afscherming van deze draad wordt dan op beide printjes met de GND verbonden. U kunt met een druppel lijm uit een lijmpistool de soldeerverbindingen tussen het sensorprintje en de kabel verstevigen.
In de onderstaande montage-foto is een indruk gegeven hoe het apparaatje er uit kan komen te zien.

Onderhoud
Het is absoluut noodzakelijk de sensor na een regenbui onmiddellijk droog te poetsen. De stroom die door de vochtige sensor vloeit produceert een paar vervelende stoffen in het regenwater, die het koper van de printspoortjes kunnen aantasten. Elektrolyse!

Een alternatieve toepassing: een lekkage alarm
U kunt deze regenbel ook gebruiken voor het detecteren van lek- of grondwater in kelders en badkamers. Dat moet u wél een andere vorm van sensor gebruiken. In de onderstaande figuur is een professionele uitvoering van deze nieuwe sensor getekend. In een blokje plastic worden op twee centimeter afstand van elkaar twee messing boutjes en moertjes bevestigd. Onder ieder moertje komt een soldeerlipje. Aan deze twee lipjes soldeert u de twee aders van het afgeschermde kabeltje. Deze sensor wordt nu tegen de keldermuur bevestigd en wel zo dat de messing boutjes ongeveer een halve centimeter boven de vloer zitten. Loopt de kelder onder water. dan raakt de waterspiegel de twee boutjes en de regenbel treedt in werking.

(Banggood sponsor advertentie)
Elektrische desoldeerbout