Regenzähler-Heizung

Worum es geht

Es geht um die Beheizung des Regenmessers, den es vor einiger Zeit zur Conrad-Wetterstation dazu gab.
Das Bild zeigt den Regenmesser, angeschlossen an die für das BeLL-Schülerprojekt neu entwickelte Platine mit ATmega8.

Theorie

Eine Beheizung des Auffangtrichters ermöglicht die Messung der Niederschlagsmenge auch als Schnee. Dabei ist nur eine geringe Temperierung erforderlich, um den Schnee anzuschmelzen (bei –20 °C fällt ohnehin kein Schnee), oder ihn wenigstens wegzusublimieren. Keinesfalls darf es zur Verdunstung kommen.

Features

Es wurde eine Schaltung ersonnen, die automatisch bei etwaigem Erreichen des Gefrierpunktes die Heizung zuschaltet. Der Schaltzustand ist über eine Leitung abfragbar, H-Pegel bedeutet: Heizung in Betrieb. Über die selbe Leitung kann der Schaltzustand auch erzwungen werden, mit den gleichen Pegeln. Zur Abfrage ist ein Mikrocontroller-Anschluss erforderlich, der kein Pull-Up hat! Originale 8051 scheiden daher aus. Zur Zwangs-Ein- oder Ausschaltung muss der Mikrocontroller-Anschluss auf Ausgabe programmiert werden.

Eine rote Leuchtdiode zeigt den Betriebszustand der Heizung an; sie befindet sich auf der linken Seite des Kastens (im Foto nicht zu sehen).

Daten

Die Betriebsspannung beträgt nominell 10 V (Rohspannung vom Gleichrichter des Basismoduls), 7..12 V sind ohne Umdimensionierung zulässig. Die Stromaufnahme ist im Heizfall auf ca. 100 mA festgelegt, das ergibt eine nominelle Heizleistung von 1 W. Die Heizung ist auch ohne Neubau des Basismoduls einsetzbar. Ein Batteriebetrieb mit 9-V-Blockbatterie »6F22« ist damit allerdings Unsinn.

Sicherheit

Die erreichbare Übertemperatur des Wärmeverteil-Bleches dürfte 5 K betragen. Daraus folgt ein Wärmewiderstand des Blechs von 5 K/W. Ein Anschmelzen des Plasttrichters oder gar Brandgefahr ist damit ausgeschlossen. Zur zusätzlichen Sicherheit sollte die Stromversorgung nicht stärker ausgelegt werden als erforderlich.

Mechanischer Aufbau

Als erstes wurde eine Pappe um den Trichter gewickelt und zurechtgeschnitten, um eine Schablone für die Blechabwicklung zu erhalten. Mithilfe dieser Schablone wurde ein ca. 1 mm dickes Aluminium-Blech zugeschnitten und gebogen. Vor dem Aufkleben auf den Tricher wurden überstehende Auswerfer-Ecken der Plastspritzguss-Maschine entfernt. Eine Senkkopfschraube M3 × 10 zur thermisch leitenden Verbindung des Heiztransistors ist vor dem Aufkleben von innen einzusetzen. In die Seite des Kastens kommt ein Loch ∅ 6,5 mm für eine Leuchtdiode mit Fassung zur Funktionsanzeige. Die gesamte Schaltung kann nur an eine Seite des Trichters montiert werden (siehe Bild links). Beim Aufsetzen des Trichers befindet sich die Schaltung über dem Löffel, der nach unten wegklappt. Auf der anderen Seite ist kein Platz! Der Heißleiter wird mit einigem Abstand zum Transistor auf das Blech geklebt, siehe Bild oben links.

Schaltungsbeschreibung

Geheizt wird zweckmäßig mit einem Transistor! Widerstände mit Kühlfahne sind Spezial-Bauteile, und bei gewöhnlichen Widerständen ist der Wärmeübergang zum Kühlblech ungünstig anzufertigen.

Auf der linken Seite des Schaltplans ist der Reedkontakt des Löffels dargestellt. Am Ende des Löffels befindet sich ein Magnet, der sich im Ruhezustand neben dem Schalter befindet und mit seinem Magnetfeld die in einem mit Schutzgas gefüllten Glasröhrchen befindlichen Kontaktfedern zusammenzieht. Damit ist der Reedkontakt ein Öffner (engl. »n.c.« - normally closed).

Von der rechts oben im Schaltplan zugeführten Speisespannung von nominell + 10 V wird mittels R5 und D1 eine stabilisierte Spannung von ca. 3,3 V bereitgestellt. Diese gelangt über den Spannungsteiler aus dem Einstellregler R7 und dem Heißleiter R6 an die Basis des npn-Transistors T1. Ein Heißleiter hat gegenüber anderen Temperaturfühlern den Vorteil eines wesentlich größeren Temperaturkoeffizienten, so dass sich die Schaltung vereinfacht und robust ist. 10 kΩ ist der Nennwert für Raumtemperatur (20 °C). Sinkt die Temperatur, erhöht sich der Widerstand von R6, damit die Basisspannung, und T1 beginnt zu leiten.

Der Kollektorstrom wird über R4 begrenzt zum Basisstrom von T2, dem pnp-Transistor, der seinerseits bei Temperaturabfall zu leiten beginnt. Der Mitkoppelwiderstand R8 bewirkt ein rasches Umschalten (Schmitt-Trigger-Verhalten) bei noch schmaler Hysterese (= Abstand zwischen Ein- und Ausschalttemperatur). Über R3 und R2 wird die rote Leuchtdiode D2 (sie muss in dieser Dimensionierung unbedingt rot sein wegen der geringeren Flussspannung von ca. 1,5 V) eingeschaltet. Am Mittelpunkt des Spannungsteilers aus R3 und R2 steht eine TTL-gerechte Spannung von ≤ 5 V (ein) und ≤ 0,7 V (aus) zur Verfügung, die für den Mikrocontroller zur Auswertung bereitsteht.

In Verbindung mit der konstanten Flussspannung von D2 stellen T3 und R1 eine Stromsenke dar, die mit R1 auf ca. 100 mA eingestellt ist. Die wesentliche Leistung wird dabei im Heiztransistor T3 umgesetzt, nicht in R1. T3 ist im TO126-Gehäuse untergebracht, welches ein Loch und eine Kühlfläche zur wärmeleitenden Montage aufweist.

Über den Mikrocontroller-Anschluss kann eine Forcierung des Schaltzustandes der Stromquelle erreicht werden. Wird dieser Anschluss nach Masse gelegt, ist der Schaltzustand von T1 und T2 ohne Belang, die Stromquelle immer aus. Bei Anlegen von 5 V ist die Stromquelle unabhängig von der Temperatur immer ein.

Abgleich

Die Schaltung wird in den Kühlschrank (ca. 8 °C) gelegt und R7 so eingestellt, dass die LED D2 gerade verlischt (Heizung aus). Mittels Kältespray kann die Funktion geprüft werden.

Montage

Das Wärmeverteilblech wird zur elektrischen und thermischen Isolation mit Isolierband o. ä. beklebt. Eine Leiterplatte anzufertigen war in diesem Fall nicht möglich; es geht ja auch fliegend. Die Leuchtdiode, die neben ihrer Referenzspannungsfunktion außerdem Betriebsanzeige ist, wird von außen sichtbar an eine Gehäusewand angebracht. Der Durchbruch ist gegen eindringendes Wasser abzudichten oder das Kabel so zu biegen, dass das Wasser abtropfen kann. Die übrige Schaltung ist durch den Trichter gut geschützt und von unten belüftet.