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Bild Lüftersteuerung

Elektronik :: Selbstbau:

Intelligente Lüfterregelung

Zur Regelung eines Lüfters existieren preiswerte Lösungen. Die hier realisierte Regelung informiert den Anwender mittels LC-Anzeige über den aktuellen Zustand des Lüfters und setzt sich von der Masse der Lösungen mit Operationsverstärkern ab.

Ein defekter Kenwood TS-850, dessen VFO nach längerem Empfangsbetrieb in den Zustand "unlocked" wechselte und dies deutlich in CW (mit den Buchstaben "ul") kundtat, war der originäre Grund für die Entwicklung dieser Schaltung. Die Folge des Temperaturproblems beim TS-850: Senden und Empfang waren unmöglich. Ein Lüfter - an die richtige Stelle montiert - brachte ohne kostspielige Reparatur sofortige Abhilfe, doch war das Lüftergeräusch bei ruhiger Empfangslage störend. Eine Regelung musste her. Der Autor hätte nun auf eine der zahlreichen erprobten Schaltungen zurückgreifen können, doch die Steuerung sollte den Anwender mittels LC-Display über die gemessene Temperatur und die Drehzahl des Lüftermotors informieren. So kam eine Lösung mit Mikroprozessor infrage.

Die Schaltung

Zum Einsatz kommt der moderne Mikroprozessor ATMega8 von Atmel. Das Exemplar besitzt zwei Zähler/Timer mit PWM-Ausgang (PWM = Pulsweitenmodulation) und einen mehrkanaligen Analog-Digitalwandler sowie acht KB Arbeitsspeicher. Mittels PWM wird der Motor in der Drehzahl geregelt. Bei PWM handelt es sich um ein Rechtecksignal, dessen Zeiten für High- ("1") und Low-Pegel ("0") steuerbar sind. Je länger das Rechtecksignal im Verhältnis "1" ist, desto schneller dreht der Motor. Ist das Rechtecksignal immer "0", steht der Motor, bei einem Verhältnis von 50 zu 50 dreht der Motor mit halber Drehzahl und ist das Signal ständig auf High-Pegel, dreht der Lüfter mit seiner voller Drehzahl. Der Mikroprozessor schaltet über einen Serienwiderstand- übrigens: es geht auch ohne - einen preiswerten HEXFET (IRF510), der im Spannungspfad des Lüfter liegt und die 12-V-Spannungversorgung im Takt der PWM ein- bzw. ausschaltet. Der träge Motor reagiert auf das schnelle Rechtecksignal in dem Sinne, dass sich aus dem Rechteck eine analoge Spannung herausbildet, die den Motor mal schneller, mal langsamer laufen lässt. Der Schalttransistor verträgt 4 A Dauerleistung, 20 A im Pulsbetrieb und ist damit für größere Lasten geeignet. Der kleine PC-Lüfter von 7 x 7 cm Kantenlänge, der hier zum Einsatz kommt, lässt den IRF510 ohne Kühlkörper nicht einmal lauwarm werden.

SchaltbildWenige, preiswerte und gut erhältliche Bauteile ermöglichen eine flexible Temperaturregelung für viele Zwecke.

Die Temperatur liefert ein LM35 im Transistorgehäuse auf 0,1 Grad genau als Spannung. Der Kanal 1 des AD-Wandlers digitalisiert die Spannung, das Programm wandelt sie in eine Temperaturanzeige um. Der NTC im Spannungsteiler mit R3 liefert seine Spannung temperaturabhängig an den Kanal 0 des ADC, diese Daten werden jedoch nicht (mehr) ausgewertet. Der Platz für diese beiden Bauteile kann auf der Platine also frei bleiben. Zwei Leuchtdioden (grün für "Versorgungsspannung ein" und eine rote LED zur Fehleranzeige "hohe Temperatur") geben zusätzlich zum LCD Auskunft. Die LCD ist mit 4 Datenbits und einigen Steuerleitungen an den Prozessor gebunden, ein Trimmer (Gehäuse PT6-L) dient zur Kontrasteinstellung.

Der Programmierstecker ist im Schaltbild mit ISP bezeichnet und dient dazu, den Prozessor einmalig mit dem benötigten Lüfterprogramm zu versorgen. Eine geeignete Programmierschaltung für Atmel AVR-Controller ist an anderer Steller dieser Homepage beschrieben. Im Spannungseingang fallen die Sicherung und die Diode auf, beide sorgen für einen rudimentären Verpolungsschutz. Über zwei Tasten lässt sich die Solltemperatur (besser: die maximal zulässige Temperatur) in Gradschritten einstellen.

BestückungsplanDie Platine hat die Maße von 82 x 82 mm und passt mit den Bohrungen im Abstand von 72 mm auf einen kleinen PC-Lüfter.

Funktion

Die Software zur Regelung des Lüftermotors bedient sich verschiedener Steuerungsinstrumente. Die Pausenzeit - sie bestimmt das Zeitintervall zwischen den Temperaturmessungen - berechnet sich umgekehrt proportional zur Differenz der Soll- und der aktuellen Ist-Temperatur: Liegen die Temperaturen nah beieinander, ist die Pausenzeit lang, bei großer Differenz wird öfter gemessen und geregelt. Zudem gibt es um die Solltemperatur herum einen Toleranzbereich von plusminus einem Grad. In diesem Bereich wird nicht geregelt, dennoch versucht der Lüfter, mit weniger Drehzahl die Temperatur zu halten, um die Luftgeräusche möglichst zu minimieren. Oberhalb des Toleranzgrenze schließt sich der Regelungsbereich an. Liegt die Temperatur in diesem Bereich, wird die Schrittweite zur Veränderung des PWM-Wertes - welcher direkt die Drehzahl steuert - dynamisch angepasst. Eine große Schrittweite bedeutet eine zügige Anpassung an die aktuelle Situation, eine kleine Schrittweite ermöglicht es, die Drehzahl des Lüfters in mehreren, aber kleineren Schritten zu optimieren. Wem diese Regelung nicht reicht - oder für spezielle Zwecke einen eigene Regelung einsetzen möchte - etwa, um die Drehzahl auf einen Wert zu stabilisieren, kann dies selbst übernehmen: Der Sourcecode - geschrieben in Bascom-AVR - steht (siehe unten) zum Download bereit.

Layout der einseitigen PlatineLayout der einseitigen Platine.

Aufbau

Die Platine ist quadratisch und besitzt eine Kantenlänge von 82 mm. Vier Befestigungslöcher sind so bemessen, dass die bestückte Leiterplatte direkt mit einem handelsüblichen, älteren PC-Lüfter verschraubt werden kann. (der Lüfter besitzt keine eigene Elektronik, das ist wichtig, denn es ist ungünstig, elektronisch geregelte Lüfter per PWM zu steuern). Damit der Lüfter genug Luft bekommt, ist die Platine mittels Abstandshaltern in einigem Abstand zum Lüfter zu montieren. Der Spannungsanschluss ist derart mit vier Polen belegt, dass ein PC-Netzteil direkt anschließbar ist, sofern eine entsprechende Buchse (siehe Abbildung) Verwendung findet. Die Platine ist mit einer Lupe auf Haarrisse, Kurzschlüsse und anderen Fehlern zu prüfen, schließlich zu bohren.


Abb.: BuchseBei Nutzung der abgebildeten Buchse (hinten) ist der Spannungseingang für den Anschluss an ein PC-Netzteil ausgelegt.

Zuerst sind acht Drahtbrücken zu bestücken, die teils unter Bauelementen platziert sind. Drahtbrücken sind der "Preis" für die leicht herzustellende, einseitige Platine. Dann folgen die niedrigen Bauteile, mit Ausnahme von R3 und dem NTC mit der Bezeichnung R8 (Heißleiter mit 10k). Der Prozessor bekommt einen IC-Sockel spendiert, der IRF510, ein preiswerter Hexfet, wird zuerst verschraubt und dann verlötet. Als Spannungsregler kommen der 7805, 78S05, L4941 oder ähnliche, pinkompatible 5-V-Regler infrage. Ein Kühlblech benötigt er bei einem kleinen PC-Lüfter nicht, das gilt auch für den IRF510. Statt der 2-mA-LEDs sind natürlich auch 20-mA-Typen verwendbar, jedoch bei Anpassung der Vorwiderstände R5 und R6. Statt der 1N4004 funktioniert ebenso eine Diode 1N4007 oder ähnliche Typen mit genügend Stromverträglichkeit. Ein Wort zum Anschluss der LCD: Normalerweise haben LC-Anzeigen 14 oder - mit Hintergrundbeleuchtung - 16 Pin. Dieser hier weist 15 auf (in der Bibliothek war kein besserer Anschluss zu finden), der 15. Pin wird daher nicht benutzt und bleibt frei. Eine evtl. vorhandene Hintergrundbeleuchtung wird separat verdrahtet. Der 10-polige ISP-Anschluss (nach Belegung "STK200" - ein Quasi-Standard) ist nur nötig, wenn der Prozessor in der Schaltung programmiert wird. Beim Programmieren ist nichts weiter zu beachten: Lediglich die Datei "Luefter.hex" wird in das Flash "gebrannt", Fusebits sind keine zu setzen, alles bleibt, wie vom Hersteller ausgeliefert. Haben Sie im Schaltbild einen Quarz vermisst? Nicht nötig, der Atmel besitzt einen internen RC-Generator. Damit werkelt der Prozessor mit 1 MHz Takt vor sich hin, schnell genug für einen so langsamen Job wie eine Temperaturregelung.

Die beiden Taster sind vom Typ DT6, aber andere mit dem selben Rastermaß passen ebenso gut. Der weitere Aufbau sollte auch dem Anfänger keine Schwierigkeiten bereiten.

Bild DrahtbrückenAcht Drahtbrücken (in rot gezeichnet) liegen teils unter den Bauelemeneten.

Inbetriebnahme

Bevor man den Prozessor in den Sockel steckt, sollte an Pin 7 des Sockels etwa 5 Volt anliegen (5V +- 0,2V). Nun das LCD anschließen, Spannung auf die Schaltung geben und mit dem Trimmer den Kontrast der LCD justieren. Funktioniert das soweit, erscheit eine Einschaltmeldung auf dem LCD und der Motor läuft für 5 Sekunden an. Was danach geschieht, ist abhängig vom Temperatur-Sollwert und der aktuellen Umgebungstemperatur. Bei Druck einer Taste zur Einstellung der maximal zulässigen Temperatur reagiert die Anzeige ein wenig verzögert. Das liegt daran, dass der Prozessor ab und zu einmal etwas anderes im Sinn hat, als lediglich die Tasten abzufragen. Die Verzögerung ist jedoch recht gering.

Nach Montage des Lüfters fühlte sich der TS850 deutlich wohler. Er läuft nun wieder den ganzen Tag ohne zu mucken durch. Die Drehzahl pendelt sich bei einem PWM-Wert von etwa 500 bis 600 ein. Ein Wert von 500 entspricht der halben Drehzahl. Bei voller Drehzahl wäre - bei 10-Bit-PWM, wie sie hier genutzt wird - "1023" auf dem LCD abzulesen. Doch manchmal ist vom Lüfter gar nichts zu hören, bis der Motor irgendwann sanft anläuft.

Bauteilliste

Bezeichnung		Beschreibung
C1, C2, C3, C4		100n, RM5
D1, D2			1N4004 oder 1N4007 oder ähnlich
F1                      		Sicherungshalter und Sicherung, RM 22,5
IC1			AT MEGA8-P DIP
IC2			78S05, 7805,
IC3			LM35 TO92
ISP STK200 		10 x 2 pol. Stifte Anschluss zur Programmierung
LED1			grün, 2mA, 3mm
LED2			rot, 2 mA, 3mm
Q1			IRF510, TO220
R1,R4, R8		10k
R2			1 Ohm, 1 W
R3			10k, 1%
R5, R6			1k8
R10			10k Trimmpoti PT6-L
S1, S2			DT6 up Taster DT6
SV1			Buchsenleiste 14 pol. für LCD
X1			Anschlussklemmen AK300/2 RM 5
X5			Anschlussklemmen AK300/4 RM 5

Download von Dateien zu diesem Projekt

In der Datei luefter.zip sind die Original EAGLE-Dateien, das Layout im Postscript- und PDF-Format sowie Bestückungsplan, Schaltbild und die Basicdatei enthalten. Eine Freeware-Version von EAGLE gibts bei www.CadSoft.de zum Download.

Und hier geht es zum Download. Laden Sie luefter.zip.

Neue Software V3 für den Lüfter

Matthias Foth hat den Lüfter nachgebaut und ist im Allgemeinen sehr zufrieden. Doch auch Gutes lässt sich besser machen, und so hat sich Matthias über die Software hergemacht und einige Verbesserungen eingefügt: Anzeige von Grad-Symbol in LCD, Anzeige von Temperaturtendenz (up/down) auf LCD, Speicherung der Solltemperatur im EEPROM, Rote LED leuchtet zur Bestätigung der Änderung der Solltemperatur. Nutzen Sie diese neue Software-Version. Der MEGA8-Prozessor läuft nun mit 8 MHz, lässt sich aber leicht im Basic-Programm auf 1 MHz umschalten. In luefter3.zip sind enthalten: Basic-Datei, HEX- und BIN-Datei zum Brennen des Proz., Batch-Datei zum Brennen mit avrdude, liesmich.txt.

Und hier geht es zum Download. Laden Sie luefter3.zip.


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