Einfaches analoges Thermostat auf NTC-Basis

Müssen Sie eines Ihrer Geräte präzise temperaturabhängig regeln? Dieses zuverlässige Thermostat basiert auf einem Thermistor und bietet einen Einstellbereich von etwa 0...60 °C, ideal für die Steuerung von Aquarien und Terrarien und noch vieles mehr.  

Mit diesem einfachen und kompakten analogen Entwurf ist es möglich, alle Arten von externen Lasten über einen galvanisch isolierten Schließer/Öffner-Kontakt eines Relais zu steuern. Dadurch können Heizgeräte über den Öffner-Anschluss (normally closed) oder, umgekehrt, Kühlgeräte wie Ventilatoren oder Klimaanlagen über den Schließer-Anschluss (normally open) gesteuert werden.

Schaltplan

Die Thermostatschaltung in Bild 1 besteht aus dem Operationsverstärker IC1, der als Komparator die Spannungsdifferenz zwischen Pin 3 (nicht-invertierender Eingang), bezogen auf den an der Klemme X1 angeschlossenen NTC-Sensor, und Pin 2 (invertierender Eingang), der von einem Spannungsteiler aus R2 und R8 gespeist wird, erfasst. Mit Trimmpoti R8 kann die Referenzspannung an Pin 2, also die Auslösetemperatur des Thermostats verändert werden.

NTC-Thermistoren haben die Eigenschaft, ihren Widerstand mit steigender Temperatur zu verringern. Sie werden im Temperaturbereich von -100...+450 °C eingesetzt und zeichnen sich durch hohe Sensitivität und kurze Ansprechzeit aus.

Ihre Übertragungskurve weist einen exponentiellen Verlauf auf, der durch Reihenschaltung eines Vorwiderstands - wie in diesem Projekt geschehen – etwas „pseudo“-linearisiert und durch parallel zum NTC geschaltete Widerstände weiter begradigt werden kann .

In diesem Entwurf wurde ein NTC-Thermistor mit einem Nennwert von 2,2 kΩ bei 25 °C verwendet. Um eine pseudo-lineare Reaktion zu erzielen, wurde der NTC in Reihe mit dem Widerstand R1 geschaltet und bildet so einen Spannungsteiler. Wenn der NTC-Sensor einer Temperatur über 25 °C ausgesetzt wird, sinkt sein Innenwiderstand, was dazu führt, dass die Spannung an Pin 3 ansteigt.

Wenn die Spannung an Pin 3 die an Pin 2 vorhandene Spannung übersteigt, schaltet der Komparator-Ausgang an Pin 1 auf logisch 1, wodurch der Transistor T1 durchschaltet und das Relais K1 aktiviert. Falls es schwierig ist, einen NTC mit einem Wert von 2,2 kΩ zu finden, kann ein Bauteil mit dem nächstliegenden Nennwert (bei 25 °C) verwendet und der Widerstand R1 durch einen mit dem gleichen Wert ersetzt werden.

Trimmpoti R8 stellt die Schaltschwelle des Komparators ein. Der Widerstand R3 zwischen Pin 3 und Pin 1 von IC1 bestimmt die Hysterese, die den Toleranzbereich (Δt) um den Schaltpunkt definiert. Die Hysterese verhindert ein ständiges Hin- und Herschalten des Relais in der Nähe der Schaltschwelle, was die Relaiskontakte verschleißt. Durch R3 wird sichergestellt, dass der Übergang vom Ruhe- in den Arbeitszustand nur dann erfolgt, wenn die Temperatur die Schaltschwelle um einen geringen Betrag überschreitet, und umgekehrt, dass das Relais erst wieder abfällt, wenn die Temperatur einen Deut unter die Schaltschwelle sinkt.

Der nicht verwendete Operationsverstärker IC1B wurde als Spannungsfolger im Leerlauf lahmgelegt, wobei der nicht invertierende Eingang an Pin 5 mit Masse verbunden ist. Dadurch wird unnötiges Rauschen vermieden und ein ordnungsgemäßer Betrieb der Schaltung gewährleistet. Die Stromversorgung der Schaltung erfolgt hier über das Netzteilmodul AL1 auf der Platine, kann aber auch extern erfolgen, ohne dass dieses Bauteil installiert werden muss.

Die Platine

Der fertige Prototyp in Bild 2 zeigt, dass die Schaltung hauptsächlich aus SMD-Bauteilen besteht und auf 3D-gedruckten Halterungen montiert ist. Die Platine ist einfach aufzubauen, erfordert jedoch beim Platzieren und Löten der SMD-Bauteile etwas mehr Sorgfalt.

Die doppelseitige Platine weist einige Durchverbindungen auf und sollte gemäß des Bestückungsaufdrucks in Bild 3 bestückt werden. Wenn das Thermostat zur Steuerung der Netzspannung verwendet wird, sind die Ausfräsungen in Bild 3 erforderlich, um die Isolation zwischen Netzspannungs- und Niederspannungsbereich der Schaltung zu verbessern.

Für den Aufbau der Schaltung werden (nicht zu) spezielle Werkzeuge benötigt, um die SMDs zu platzieren, sowie eine gewisse manuelle Geschicklichkeit. Ein Lötkolben mit sehr feiner Spitze und einer Leistung von maximal 12 W ist empfehlenswert; eine SMD-Lötstation ist natürlich die beste Option. Das Lötzinn sollte nicht dicker als 0,5 mm sein. Die Platinenlayouts können einschließlich der .stl-Datei für die 3D-druckbaren Halterungen von heruntergeladen werden.

Zusammenbau und Test

Beginnen Sie mit dem Verlöten von IC1, achten Sie dabei auf die Ausrichtung und verlöten Sie die Reihen abwechselnd Pin für Pin, ohne das IC zu überhitzen. Danach löten Sie die Widerstände und die Keramikkondensatoren ein. Abschließend setzen Sie die Diode D1, den Transistor T1 und die Elektrolytkondensatoren C2 und C3 ein.

Bitte beachten Sie, dass aufgrund eines Fehlers die Kondensatoren-Nummerierung auf der Platine mit C2 beginnt und C1 nicht vorhanden ist. Suchen Sie nicht danach!

An dieser Stelle können Sie mit der Bestückung der bedrahteten Bauteile fortfahren: die Dioden LED1 und LED2, dann die Schraubklemmen X1, X2 und X3, der Sicherungshalter F1, das Stromversorgungsmodul AL1 und schließlich das Trimmpoti R8 und der Varistor R6.

Bitte beachten Sie, dass die NTC-Anschlüsse entweder an die Pads JP1 oder an die Schraubklemme X1 angeschlossen werden können, deren Kontakte auf der Platine parallel geschaltet sind. Außerdem lässt sich einer der beiden Anschlüsse verwenden, um einen Kompensationswiderstand parallel zum NTC anzuschließen, wenn eine bestimmte Linearisierungskurve erforderlich ist.

Nach dem Zusammenbau können Sie die Platine wie in Bild 4 verdrahten und mit der Prüfung beginnen. Wenn Hochstromlasten an die Leiterbahnen von X3 zum Relais angeschlossen werden, müssen diese mit Zinn verstärkt werden (Bild 5).

Für die Prüfung stellen Sie Trimmpoti R8 auf neun Uhr und versorgen die Platine mit Netzspannung. Die grüne LED2 sollte aufleuchten. Durch die Erwärmung des NTC-Thermistors leuchtet LED1 auf und gleichzeitig hören Sie, dass das Relais K1 umschaltet (klack!). Wenn alles wie beschrieben funktioniert, ist die Schaltung betriebsbereit und kann auf die in Ihrer Anwendung gewünschte Schalttemperatur eingestellt werden.

Sie haben Fragen oder Kommentare?

Wenn Sie technische Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel haben, wenden Sie sich bitte an den Autor unter lrgeletronic@hotmail.com oder die Elektor-Redaktion unter redaktion@elektor.de

Anmerkung der Redaktion: Der Artikel (240042-02) erscheint in Elektor Circuit Special 2024, das im August 2024 an den Kiosken erscheint.