DIY Temperatur-Controller

1. Versorgungspannung - Split-Power-Supply

Für die Stabile Versorgung der Schaltung wird ein Stabilisiertes (spannungs-geregeltes) Netzteil benötigt, normalerweise würde zwar ein Handelsübliches 5 bis 7V-Steckernetzteil ausreichen - ja, wenn da nicht der LM348 Operationsverstärker für den Temperatur-Sensor wäre, der eine sog. Split-Power-Supply benötigt. Das heißt, es wird eine virtuelle Masse VGND benötigt, die sich zwischen -Vcc Volt und +Vcc Volt befindet. Mit zwei Batterien in Serie lässt sich das so realisieren: -Vcc [Batt1] VGND [Batt2] +Vcc.

Für ein Netzteil benötigt man einen Transformator mit einer Primärspule (Netzspannung) und zwei Sekundärspulen. Die beiden Sekundärspulen sind häufig schon in der Mitte verbunden, bestehen also aus einer Spule, derern Mitte herausgeführt ist. Analog zu den beiden Batterien können die Sekundärspulen verwendet werden: -Vcc [Sek1] VGND [Sek2] +Vcc, dafür wird wie Üblich ein Gleichrichter benötigt, der über beide Spulen gleichrichtet.

Die Spannungsregeler 7508 und 7509 können benutzt werden, um stabilisierte positive und negative Spannungen aus den Spulen abzuleiten. VGND wird durchgehend durch die Schaltung als GND benutzt und das positive stabilisierte +Vcc als VCC.

2. NiCr-Ni Thermoelement - Sensorpack, Bereinigung und Auswertung

Das Sensorpaket des Kontrollers besteht aus einem Thermoelement Typ K (NiCr-Ni) (bis etwa 1200°C) nach DIN EN 60584 (DIN IEC 584) und einem Operationsverstärker. Ein Thermoelement besteht aus zwei miteinander verbundenen Metallen (Bi-Metal), die je nach Temperatur eine Spannung im Millivoltbereich produzieren. Dieser Spannungsbereich ist nicht gut geeignet für eine Analog-Digital-Wandlung im Mikrocontroller. Durch einen Operationsverstärker (der LM348 bietet vier Stück in einem IC) mit Split-Power-Supply kann die Spannung des Thermoelementes vervielfacht werden - eine Verstärkung um das 50-Fache liefert einen praktikablen Spannungsbereich zwischen 0V und ~2.5V für 0 bis ~1000 Grad Celsius. Dieser Spannungsbereich kann problemlos Digitalisiert werden.

In der frühsten Version wurden nur 8-Bit gesampled was einem mapping von 0V auf 0 und von 2.5V auf 255 entsprach, da die beiden weiteren verfügbaren Bits zu sehr Schwankten. In der neueren Version werden alle 10-Bits des AD für eine Exponentiale Glättung genutzt - d.h. die Messwerte werden über die Zeit geglättet. Da die Messwerte, die Verstärkung und die Analog-Digital-Wandlung Störungen und Ungenauigkeiten unterliegen, können durch die Glättung diese scheinbar zufälligen Einflüsse herausgefiltert werden. Man gelangt zu einem Mittelwert, der näher an der idelisierten realität liegt.

Die digitalisierten Werte können anschließend mittels Normtabelle (und eventuellem Korrekturterm zur Kalibrierung) in Grad Celsius umgewandelt werden. Aus der Tabelle kann aber auch eine Approximationsfunktion hergeleitet werden, die die Funktion bis auf einen kleinen Fehlerprozentwert nachbildet, dadurch kann Speicherplatz gespart werden.