Vorlage für Projektbeschreibung

von NAME

Es ist sinnvoll, dem Projekt einen aussagekräftigen Namen zu geben! Viele der Projekte und Artikel haben "AVR" als Anfang im Artikelnamen stehen. Das erscheint sinnvoll, ist es aber nicht, denn in der alphabetischen Sortierung stehen diese alle unter 'A'. Besser ist es, einen Namen zu vergeben, der mit dem Zweck des Projektes übereinstimmt. Also "Gray-Code Decoder für Drehgeber" anstatt "AVR-Drehgeberdecoder". Bei Software, die nur auf dem AVR läuft, kann das "AVR" als Suchtag verwendet werden oder man sortiert den Artikel in die Kategorie Kategorie:AVR-Projekte ein. Falls die Software so geschrieben ist, dass sie auf mehreren verschiedenen CPUs läuft, soll keine CPU im Titel genannt werden.

Hier steht eine kurze Beschreibung und ein Überblick über das Projekt. Wozu ist es gut, was macht es, etc.

Nach dieser Einleitung wird das automatisch erzeugte Inhaltsverzeichnis angezeigteine.

Einleitung

Für viele Arbeiten ist eine präzise Frequenzquelle in Form eines OCXO (oven controlled oscillator) recht nützlich, also eines im Thermostaten untergebrachten Quarzoszillators. Die Ansprüche an so etwas können sehr verschieden sein, der hier aufgeführte ist eine recht bescheidene Version, dafür aber mit relativ wenig Aufwand selbst baubar.

• Es werden fast nur Standard-Bauelemente verwendet, die von Bastlern aus Altgeräten beschafft werden können.
• Die Genauigkeit der Frequenz stammt nicht vom OCXO selbst sondern muss durch DCF oder GPS hergestellt werden
• Für den Aufbau ist aus Raumgründen SMD-Technik zu empfehlen, man kann allerdings auch mit bedrahteten Bauelementen arbeiten.
• Der Schwerpunkt der Arbeit besteht in dem Abgleich des fertigen Geräts, da muss man schon einigen Aufwand an Zeit betreiben.

Die Wärmeisolierung

Die Wärmeisolierung muss so gut wie möglich sein. Erster Grund ist der Leistungsbedarf. So ein Thermostat mit Quarz sollte möglichst immer auf gleicher Temperatur gehalten werden. Nach einer Heizpause dauert es ca. einen Tag bis ca. 1 exp -7 erreicht wird und noch ca. eine Woche für 1exp. -8. Auch sollte die Möglichkeit bestehen, bei kurzen Unterbrechungen (Transport, Stromunterbrechungen usw.) den Thermostaten aus einem Akku zu betreiben. Zweiter Grund besteht im regeltechnischen Verhalten: Das Innere des Thermostaten stellt einen Wärme-Kondensator [Wattsekunden/Kelvin] dar, die Isolierung einen Wäermewiderstand [Kelvin/Watt]. Beide zusammen bilden einen Tiefpass innerhalb des Regelkreises, der um so leichter stabil zu halten ist, je größer seine Zeitkonstante ist. (R x C, thermisch ist eine Zeitkonstante [sec])

  In einem Vorversuch wurd sogar eine Thermosflasche zur Isolierung benutzt, das ergab einen Wärmewiderstand von etwa 140 K/W, das war nahezu der Wärmewiderstand der Zuleitungen zum Innern. Nur wurde deas Ganze viel zu sperrig. Meine Lösung ist ein Würfel aus PS-Hartschaum mit den Maßen 80 x 85 x 100 mm, passend in das Gehäuse eines PC-Schaltnetzteiles. Das hatte dann einen Wärmewiderstand von ......K/W. Die Heizleistung bei Raumtemperatur beträgt dann etwa 600mW

Der Körper des Thermostatinneren.

Der Körper sollte möglichst große Wärmekapazität [Ws/K]haben. Dagegen spricht allerdings: Die Oberfläche sollte möglichst klein sein, da über diese die Wärme ja abgeführt wird. Der Bearbeitbarkeit wegen wurde ein U-förmiges Aluminiumprofil mit 2,5mm Wandstärke, innerer Öffnung von 20mm Breite, 5mm Höhe und 35mm Länge genommen, aus einem 40x40-Aluprofil. Darin befindet sich der Oszillator. Der wird zusätzlixh it ewinem Deckel aus 0,5 mm Alu "eingepackt". Das bildet eine isotherme Umhüllung, die verhindert, dass einzelne Teile des Oszillators insbesonders der Quarz stärker Wärme abgibt als andre.

Aufbau der Elektronik

Als Heizelement wird ein PNP-Transistor (z.B. BD140) verwendet. Da sein Kollektor direkt auf das Alu geschraubt werden kann, ist dann das Ganze mit Masse verbunden und abgeschirmt. Wird Kupfer als Grundmetall genommen, kann man den Heiztransistor sogar direkt auf das Kupfer löten, das lässt dann am guten Wärmekontakt keine Zweifel mehr. Zusammen mit D und R entsteht eine Konstantstromquelle, die auf etwa 100 mA begrenzt. Als Temperaturfühler wird auch ein PNP Transistor gewählt, der wird möglichst direkt am Heizer festgelötet, sodass der Wärmekontakt optimal ist. SOT23 isr gut, .... wäre noch besser. Jeder Abstand vergrößert die unvermeidliche Totzeit zwischen Heizer und Regler und vergrößert damit die Schwingneigung des Regelkreises. Der PNP-Transistor wird mit R und R so beschaltet, dass sich die 0,6V UBE als 2,4V UCE wiederfinden. Das erhöht nicht nur die Temperaturempfindlichkeit von den ca. -2mV/K auf -8mV/K sondern UCE liegt dann auch im erlaubten Eingangsspannungsbereich des Opamps. R und R sind Teil einer Brücke. D-er linke Zweig dient durch R.. zur Einstellung des Temperatursollwerts. Der Opamp hat seine Gegenkopplung primär über den Kreis Opamp-Heizer-Sensor und arbeitet bei gutem Kontakt Sensor-Heizer als P-Regler. Dann ist aber die Verstärkung so hoch, dass das Rauschen des Opamp im Heizstrom gut erkennbar ist. Der Kondensator setzt daher die Verstärkung bis zu wenigen Hz herab. Mit dem Widerstand R kann man die Verstärkung herabsetzen, Dann wird der Jitter des heizstroms und auch die Schwingneigung geringer. Nur wird dann die für die Genauigeit eines P-Reglers notwendige Verstärkung herabgesetzt. Die Speisespannung der Brücke wird von einem 78L05 geliefert. Das ist eigentlich keine Präzisionsspannungsquelle, aber durch die Temperierung und die konstante Last ist er ausreichend konstant. Der zweite OPamp im IC versorgt als Spannungsfolger den Oszillator, sodass die last für den 78L05 praktisch konstant bleibt. Sieben Leitunge führen zum Äußeren, ihr Querschnitt ist so gering, dass ihr Wärmewiderstand (geschätzt etwa ...K/W) keinen Nebenschluss zur Wärmeisolierung darstellt. Die Leitungsbelegung siehe Tabelle. Als Stecker verwende ich eine Pinreihe eines IC-Sockels mit gedrehten Kontakten, ein Streifen mit gelochter Leiterplatte und etwas Schmelzkleber bilden den Knickschutz des Mehrleiterkabels aus einem alten PC. Gut ist auch ein D9-Stecker für RS232 mit angequetschtem Flachabndkabel. Die Leiterplatte mit der Elektronik sollt auf das Alu geklebt sein, damit guter Wärmekontakt dazu besteht.

Der Oszillator

Der Oszillator ist nach der Problemstellung aufgebaut, dass er zuverlässig schwingt. Da ist noch keine Optimierung bezüglich Schwingamplitude, Rauscharmut usw. vorgenommen worden. Dadurch dass der Oszillator und vor Allem der Quarz auf dem Körper des Thermostaten festgeklebt ist, haben Quarz und die Kondensatoren über das dünne FR4 (0,8mm) guten Wärmekontakt und hoffentlich gleiche Temperatur. Die Kapdioden fpr die Feinkorrektur stammen aus einem alten TV-Tuner (UHF) und sollten mit einer Spannung höher als 5V arbeiten. Deshalb kann mit C ein Feinkorrektur von C + C vorgenommen werden. Die Trennstufe mit dem zweiten Transistor verhindert eine Frequenzverschiebung durch die Belastung. Präzisionsquarze sind für einen Bastler kaum zu erhalten und zu bezahlen, den sie sind üblicherweise nach genauer Spezifikation des Auftraggebers hergestellt und daher im üblichen Handel garnicht erhältlich. "Computerquarze" für die Verwendung an Kontrollern haben aber sehr großzügige Toleranzen, was beim Preis von wenigen -zig Cent kein Wunder ist. Etwas besser sind die Quarze aus den Frequenzaufbereitungen von TV-Tunern. Besonders die im kaltgeschweißten (und nicht gelöteten) Gehäuse haben schon die Alterung hinter sich, wenn man Glück hat, auch musste man damals keine solchen Kompromisse in richtung Preis machen,. Man sollte den Quarz auch auf den Thermostatkörper kleben. Die Temperierung geschieht nämlich weniger über die Anschlussdrähte sondern mehr über das Gehäuse und das darin befindliche Schutzgas (normalerweise Stickstoff, rein) ==Die Inbetriebnahme des Reglers==. Nach Bestückung R auf maximum, etwa 1kOhm stellen. R sollte unbedingt ein Schraubtrimmer in 20-gängiger Ausführung sein. Ein normaler Trimmer ist einfach zu ungenau einstellbar. R fehlt noch, also maximale Verstärkung für den Opamp. Dann den Widerstand R langsam kleiner stellen, bis die LED gerade aufleuchtet, also der Heizsztrom einsetzt. Falls da die Kopplung Heizer-Sensor etwas weniger gut ist, wird bei erreichen der Solltemperatur Schwingen einsetzen. Mit einem 1MOhm-Trimmer kann man den Wert suuchen, bei dem das Schwingen gerade aufhört. Diesen Widerstandswert sollte man nochmals halbieren, um genügend Sicherheit vor dem Schwingeinsatz zu haben. Dann ist der Regler erst einmal grob eingestellt. Anschließend kommt der Oszillator an die Reihe. C und C sollte so bestückt sein, dass bei %V an den Kapdioden Raumtemperatur der Quarz etwa 10ppm schneller schwingt als die exakte Frequenz. Dann wird er bei Erwärmung langsamer und bei der optimalen Temperatur genaue Frequenz haben. Jetht kommt das Henne-Ei-Problem. Man braucht eine exakte Vergleichsquelle. Zuerst stellt man das Poti R so ein, dass der thermostsat etwa auf 37 Grad heizt. Anschließend stellt man jeweils den Trimmer um eine Umdrehung in richtung höher Temperatur und wartet 2 Minuten. Das bringt dann eine Frequenzsenkung, die man mit R ausgleicht und die dazugehörige VCO-Spannung aufschreibt. Schrittweise wird dann die VCO-Spannung ansteigen, bis sie bei eta 54 bis 55 Grad einen Scheitelpunkt erreicht. Dort sitzt üblicherweise das Minimum des Temperaturgangs des Quarzes. Diesen Punkt sollte man als Betriebstemperatur des Thermostaten nehmen.

Eine Luxusversion des Normals verwendet ein Vielgang-Potentiometer, mit einem 20gängigewn Trimmer gehts natürlich auch.

Die Peripherie

Zur Stromversorgung wird eine übliches 12V-Stecker-Schaltnetzteil mit interner Spannungregelung genommen. Extern wird mit einem OPamp aus den 5V im Thermostaten die 10V für die Kapdioden erzeugt und auch die 5V (3,3V) Betriebsspannung für den Frequenzteiler mit HCT oder HC Flipflops. Die Frequenzteilung bringt eine zsätzliche Unterdrückung des balstungseinflussen. Um sie nicht zu überlasten wird der Koax-Stecker nach außen über 470..1kOhm angeschlossen.

Software

Beschreibung der Software

Downloads

• Sourcecode
• Schaltplan

Siehe auch

• Bebilderung von Artikeln
• Diskussion zu diesem Projekt: http://www.mikrocontroller.net/forum/read-4-123.html
• Link zu anderem Projekt

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