Pulsweitensteuerung für eine 2kW-Heizung

Pulsweitenmodulation bitgenau per Zählbaustein

Steuerung statt Regelung

Heizungen sind meistens an eine Temperaturregelung gekoppelt. Der Vorteil ist, daß man nur einfach nur die Temperatur einzustellen hat und dann regelt sich das alles von selbst. Es gibt jedoch auch einen Nachteil, nämlich den daß ein offenes Fenster beispielsweise eine Störung darstellt die nicht mehr ausgeregelt werden kann. Infolgedessen läuft die Heizung am Anschlag, also mit maximal möglicher Leistung im Dauerbetrieb bzw. solange bis man selbst die Störung erkannt und abgestellt hat. Anders hingegen verhält es sich, wenn man von vornherein selbst direkt die Leistung einer Heizung einstellt, etwa in der Abstufung 500W, 1000W, 1500W und 2kW. Welche Raumtemperatur sich dann ergibt wird man sehen, auf jeden Fall begrenzt das den Schaden falls man wirklich mal vergessen hat Fenster und Türen zu schließen. Darüber hinaus ist der zu erwartende Energieverbrauch einfacher zu kalkulieren. Die Erfahrung mit einem 2kW-Heizkörper in meinem Arbeitszimmer hat ergeben, daß die Vorteile einer Steuerung tatsächlich überwiegen. Aus dieser Erfahrung heraus ergab sich die Idee für ein kleines Elektronikprojekt, die ich hiermit gerne teile und beschreibe.

Grundgedanke ist, das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Ein/Aus über eine Torsteuerung einstellen zu können. Hierzu werden für die Logik ein Impulsgeber, ein Zähler und ein RS-FlipFlop (RS-Latch) benötigt. Die Heizung selbst wird dann über ein entsprechend dimensioniertes Schütz (16A, 230V) geschaltet. Der Ablauf ist wie folgt:

Mit dem Einschalten der Elektronik wird das RS-Latch gesetzt so daß das Solid-State-Relais dahinter anzieht und den Heizkörper einschaltet. Gleichzeitig rennt der Taktgenerator los und erzeugt Takte mit einer Periodenlänge von 100ms (eine Zehntelsekunde, 10Hz). Nach bspw. 512 Taktimpulsen (2⁹, PIN9 am Zähler) wird das RS-Latch zurückgesetzt und damit die Heizung stromlos. Der Zähler jedoch läuft weiter bis 2048 (2¹¹) was sich daran äußert daß PIN11 am Zähler auf High wechselt. Dieser PIN wird mit dem Resetanschluß des Zählers verbunden und das Spiel beginnt von vorn.

Für die gewünschte Abstufung wir per Stufenschalter (Drehschalter) der Reset-Eingang des RS-FlipFlop entweder mit PIN9 (512) oder PIN10 (1024) des Zählers verbunden wobei sich mit PIN9 & PIN10 der Zählstand 1536 ergibt (UND-Verknüpfung). Mit der gewählten Taktfrequenz ergeben sich damit die Einschaltzeiten zu rund 250, 500 und 750 von 1000 Sekunden was mit einem Drehschalter wählbar ist. Dabei kommt es nicht darauf an, diese Zeiten sekundengenau erreichen zu wollen, vielmehr besteht das Ziel darin, über die Impulszählung ein ganz bestimmtes Tastverhältnis einzustellen. Die angestrebten Zeiten ~5min, ~10min oder ~15min von ~20min sind jedoch sehr praxisnah zur thermischen Trägheit eines 2kW-Heizkörpers.

Weitere Überlegungen zur Impulszählung: Mit einem Solid-State-Relais, was geräuschlos viele Schaltzyklen ermöglicht, kann man die Heizung auch mit Perioden im Sekundenbereich schalten. So könnte man auch den unteren Zählerbereich verwenden, also die Bits 0..3 und den Reset schalten wenn Bit 4 (2 hoch 4 = 16 Impulse) auf Hight schaltet. Die PWM-Abstufung ergibt sich wie folgt: Bit 2 (2 hoch 2) = 4 von 16 Impulsen, Bit 3 (2 hoch 3) = 8 von 16 Impulsen und 12 von 16 Impulsen ergeben sich infolge einer AND-Verknüpfung von Bit 2 und Bit 3.

Die Auswahl der Bauelemente

Den Taktgeber werde ich mit dem DIP8-IC NE555 realisieren. Der Zähler ist ein 74HC 4040 aus der CMOS-Family und für die NAND-Gatter sowie den RS-FlipFlop kommt ein TTL-IC Type 7400 zum Einsatz. Einbauen werde ich das alles in ein ausgedientes Gehäuse einer externen IDE-Festplatte, damit ist auch die Spannungsversorgung von 5V (TTL, CMOS, LEDs) und 12V (falls später mal notwendig) sichergestellt. Anstelle eines ursprünglich geplantem Schütz werde ich ein Halbleiterrelais Type Panasonic Halbleiterrelais AQA211VL auf die Grundplatte schrauben, so wird gleichzeitig dessen Kühlung realisiert.

Schaltung und Fotos folgen...

Kommentare: Pulsweitensteuerung für eine 2kW-Heizung

Rev.: 2023-01-24 10:02:03


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