Wird es in einem Schaltschrank zu warm, läuft automatisch ein Lüfter an. Dafür verantwortlich ist ein Temperaturschalter, der beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur auslöst. Auch in einem elektrischen Warmwasserspeicher oder Heizkörper sind sehr oft solche oder ähnliche Schaltungen zu finden. Alternativ und noch einfacher geht es auch mit einem Bimetall Temperaturschalter, aber die sind meist nicht verstellbar. In diesem Artikel geht es um den Bau einer einfachen Platine, die Verbraucher bei entsprechender Temperatur Ein- oder Ausschalten kann. Die Schaltung arbeitet mit einer Betriebsspannung von etwa 9 - 15 Volt.

Grundprinzip der Schaltung

Die Schaltung verfügt über einen NTC-Widerstand, der sich je nach Temperatur verändert. Über ein Potentiometer kann der Temperaturbereich, ab wann die Schaltung den Verbraucher schalten soll, analog eingestellt werden. Ein einfaches Wechselrelais schaltet beim Erreichen der eingestellten Temperatur den Verbraucher je nach Verdrahtung entweder ein oder aus.

Feste Widerstände

Sonstige Bauteile

Die Schaltung im Detail

Im Wesentlichen besteht die ganze Platine aus zwei bekannten Schaltungen. Der erste Teil der Schaltung besteht aus den Bauteilen R1 und R2. Es handelt sich dabei um einen üblichen Spannungsteiler bestehend aus veränderbaren Widerständen. R1 ist ein Potentiometer mit 4,7 Kiloohm. Hat man diesen Wert nicht, kann man auch einen kleineres oder größeres Potentiometer nehmen (Bsp. 3,3K oder 10K). Beim zweiten Widerstand handelt es sich um einen Heißleiter bzw. NTC Widerstand. Dieser Widerstand hat bei 25 Grad etwa 10 Kiloohm und wird mit zunehmender Wärme niederohmiger bzw. bei zunehmender Kälte hochohmiger. Beide Widerstände zusammen ergeben dann einen temperaturabhängigen Spannungsteiler, der bei einer bestimmten Temperatur die benötigte Basisspannung erreicht, um den Transistor T1 durchzuschalten. Mit dem Transistor T1 und den restlichen Bauteilen beginnt der zweite Teil dieser Schaltung. Die Widerstände R4, R5, R6 und R7 sowie die beiden Transistoren (T1, T2) bilden eine Kippstufe bzw. den Schmitt-Trigger. Reicht die Spannung vom Spannungsteiler (R1+R2) nicht aus um den Transistor T1 durchzusteuern, so bekommt der Transistor T2 ausreichend Spannung um durchzuschalten. Die LED und das Relais schalten sich dadurch ein. Sinkt dann die Temperatur am NTC und die Spannung geht an der Basis vom T1 hoch, dann fängt dieser durchschalten an. Dadurch fließt jetzt ein Strom durch den Widerstand R4, R6 und den Transistor T1. Die Basisspannung am Transistor T2 sinkt, was zu seiner Sperrung führt. Die LED und das Relais bekommen keinen Kontakt mehr mit der Masse, was zum Ausschalten dieser Bauteile führt. Steigt die Temperatur am NTC wieder an, so geht die Spannung an der Basis vom T1 wieder runter, was ein einschalten vom T2 bewirkt. Beim Widerstand R8 handelt es sich um den Vorwiderstand für die LED. Parallel zur Spule befindet sich eine Freilaufdiode (D1) um die Spannungsspitzen beim Abschalten der Relaisspule abzufedern.

Bild: Schaltung kippt Zustand

Das folgende Bild zeigt ein sauberes Einschalten und Ausschalten von der LED und dem Relais. Gemessen wurde zwischen R8-LED und Masse.

Hysterese & Optimierung

Die Hysterese gibt Auskunft über die Differenz zwischen dem Anschaltepunkt und den Abschaltepunkt.

Ein Beispiel: Der eingestellte Einschaltwert beträgt 50 Grad Celsius. Sobald dieser Wert erreicht ist, schaltet das Relais den Verbraucher ein. Beim Verbraucher könnte es sich beispielsweise um einen Lüfter handeln, der einen Schaltschrank kühlt. Ab sofort sinkt die Temperatur wieder und theoretisch müsste die Schaltung bei unter 50 Grad Celsius wieder abschalten. Die Folge wäre ein ständiges Umschalten vom Relais, was im schlimmsten Fall den Verbraucher zerstören könnte und daher unerwünscht ist. In der Praxis schaltet die Schaltung daher erst bei einer tieferen Temperatur von etwa 45 Grad Celsius wieder aus.

Die Hysterese dieser Schaltung ist von mehreren Faktoren abhängig. Am leichtesten kann man die Hysterese über den Widerstand R4 verändern. Wird dieser größer, wird auch die Hysterese größer. Anstatt einem Kiloohm könnte man den Widerstand auf zwei Kiloohm erweitern, wenn man in etwa eine Differenz von 10 Grad haben möchte. Hier muss man einfach mit den Widerständen experimentieren, um den idealen Schaltbereich zu finden.

Probleme mit dem Relais

Da es so viele verschiedene Relais gibt, reagiert die Schaltung auch dementsprechend unterschiedlich. Bei sehr niederohmigen Relais ist der Strom deutlich höher, was sogar dazu führen kann, dass es gar nicht anzieht. In diesem Fall kann das Entfernen der LED samt Vorwiderstand hilfreich sein. Eine Alternative zum Relais wäre beispielsweise ein Optokoppler.

Beispiel Lochrasterplatine

Das die nachfolgende Grafik dient als Beispiel für die Bauteilplatzierung auf der im YouTube Video gezeigten Lochrasterplatine

*CN1, CN2 sind Printklemmen bzw. Terminal Blocks