Steuerung Ätzküvette (Bau der Küvette)

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Ich habe mir eine eigene Ätzküvette gebaut. Ich möchte aber an dieser Stelle nicht näher auf den Aufbau eingehen, da ich das Projekt von Harry Milatz von der Seite all4hardware4u.de nachgebaut habe und er dort sehr einfach und detailliert den Bau der Küvette beschreibt.
Vielen Dank an dieser Stelle, die Küvette ist dank Deinem Tutorial echt super geworden, oder? 🙂

 

Ätzküvette      Ätzküvette      Aquarium-Heizstab

 

Kleine Ergänzung aber für diejenigen, die die Küvette nachbauen wollen:

  • Nehmt Euch einen Stapel Fotokopierpapier, denn damit könnt Ihr bis auf den Millimeter genau den Abstand festlegen, wenn Ihr die einzelnen Teile der Küvette zusammenkleben wollt. Kein Rumgesuche nach Büchern oder anderen Gegenständen, die irgendwie passen könnten, um den richtigen Abstand zu bekommen.
  • Beim Platinenhalter habe ich insgesamt 8 Halter verwendet. Das macht es einfacher, wenn man unterschiedliche Größen von Platinen hat und die Führungsschienen nicht ausreichen, da sie ja durch den Haltegriff unterbrochen sind.
  • Für meinen Deckel hatte ich noch 2mm dickes Plexiglas übrig, was ich dann passend zugeschnitten und entsprechend gefräst habe.
  • Auch ganz wichtig, denn bei meinem ersten Deckel hatte ich die Platinenhalterungen von oben mit Schrauben versehen und von unten mit Muttern gegengeschraubt. Ich habe noch nie gesehen, wie Schrauben innerhalb von einer halben Stunde um Jahre rosten können.
    Danach habe ich das Ganze herumgedreht und habe die Schrauben für den Haltegriff, so wie die Schrauben der Platinenhalterungen mit Silikon überzogen und die Blechhalterungsschienen durch Plexiglas ersetzt. Jetzt gibt es keine rostigen Metallteile mehr.

 

 

Ein eigenes Werkzeug habe ich mir auch noch zusammengefriemelt, um überstehendes Silikon nach dem Zusammenkleben auch von Innen abkratzen zu können, denn bei 5 cm Breite braucht man schon verdammt kleine Hände.

 

Schraubenzieher     Schraubenzieher

 

So, das war der Aufbau der Küvette. Wie gesagt, wer sie nachbauen möchte, der besucht Harry’s Seite unter all4hardware4u.de.

 

Die Elektronik

Kommen wir aber nun zur Ergänzung seiner Ätzküvette und zwar dem elektronischen Teil. Klar, die Küvette ist mit Heizstab, Thermometer und Membranpumpe einsatzbereit und funktionsfähig, doch richtig professionell wird es erst mit einer elektronischen Steuerung der Küvette, sprich, ein Heizstab, der automatisch bei gewünschter Temperatur abschaltet und wieder einschaltet, wenn diese um x Grad unterschritten wird.

Da kann man dann auch noch gleich die Membranpumpe mit einem Ein- und Ausschalter dranhängen und super wäre es doch auch, wenn man gleich noch eine Pumpe mit dabei hat, die einem das Ätzmittel direkt aus dem Vorratsbehälter in die Küvette füllt und im Nachgang die Suppe dann auch wieder in den Behälter pumpt, oder?

Kaum Sauerei, auch wenn ich aus eigener leidvoller Erfahrung trotzdem alte Kleidung empfehle, denn es ärgert einen, wenn man ein zwei Tage altes T-Shirt ruiniert hat, weil man unbewusst nasse Finger am Shirt abstreift und einem erst dann einfällt, dass das kein reines Wasser war.
Die rötliche Färbung durch das Natriumpersulfat ist zwar irgendwie hübsch, nur gibts irgendwann Lochfraß. 🙂

 

Achtung Wichtiger Hinweis: Die Schaltung wird an lebensgefährlicher Netzspannung (230V AC) betrieben.
Alle Teile der Schaltung müssen vor Berührung geschützt werden und in einem sicheren Gehäuse untergebracht werden, bevor die Schaltung in Betrieb genommen werden kann.


Der Nachbau der Schaltung ist für Anfänger und Bastler ohne notwendiges Wissen nicht geeignet.


Alternativ kann auch ein Schaltnetzteil verwendet werden, wenn man das Netzteil nicht selbst aufbauen möchte.
Dennoch bleibt der Umgang mit gefährlicher Netzspannung!

Ein Nachbau erfolgt daher immer auf eigenes Risiko !!!

 

Die Platine(n) kann man grob in fünf Teilbereiche aufteilen:

  1. 230V AC Transformator, der die Netzspannung in 12V Wechselspannung umwandelt,
  1. Spannungsregler, der die 12V Wechselspannung in 5V Gleichspannung umwandelt,
  1. Ansteuerung des Heizstabes,
  1. Ansteuerung der Membranpumpe, und
  1. Ansteuerung der Saugpumpe, die das Natriumpersulfat entweder in, oder aus der Küvette pumpt.

 

Zu 1:

230V AC Transformator

Ich verwende hierfür einen Printtrafo, der am Ausgang 12V/16VA liefert (1333 mA). Für die Saugpumpe, benötigen wir 12V mit 1400 mA bei Volllast.

Rechnen wir mal, auch wenn es jetzt schon recht offensichtlich ist: 1.4 A * 12V = 16,8 Watt.

Grob vereinfacht sagt man VA (Voltampere) ist gleich Watt, aber das stimmt nicht ganz, denn VA beinhaltet noch eine Scheinleistung.

Das heißt: Die 16VA des Printtrafos wären 15.89 Watt.

Somit ist der Trafo eigentlich etwas unterdimensioniert. Da die Pumpe später aber sowieso nicht die vollen 12V bekommt, zieht sie auch weniger als die 16,8 Watt und auch die Laufzeit beträgt ja nur wenige Minuten bis die Küvette gefüllt oder entleert wurde.
Somit sollte – der Langzeittest läuft gerade erst an – es kein Problem sein mal am Maximum des Trafos zu kratzen.

Der Rest der Schaltung liegt weiter unterhalb des Maximalbereichs.

 

zu 2:

Spannungsregler

Mit einem Brückengleichrichter richten wir den Wechselstrom in 12V Gleichstrom und setzen zwei Spannungsregler ein um zwei 5V Gleichspannungsquellen zu erzeugen.
Die 12V DC werden für die Absaugpumpe genutzt, ein Spannungsregler versorgt den ATMega-Controller, der andere die anderen Schaltungen, so wie die beiden verwendeten Relais.

Warum zwei Spannungsregler? Wir haben hier Relais, die beim Einschalten hohe Spannungsspitzen erzeugen. Für die anderen Schaltungen ist das egal, aber der ATMega braucht eine konstante Stromversorgung, um die Temperaturwerte des Sensors auslesen zu können.
Wäre dies nicht der Fall und wir hätten alles an einem Spannungsregler angeschlossen, würde in dem Moment die Spannung zusammenbrechen, wenn ein, oder beide Relais schalten.
Somit hätte der Controller keine stabile Referenzspannung mehr mit der er die Temperaturdaten verarbeitet und wirft auf Grund der falschen Referenzspannung eine falsche Temperatur aus.
Das ist natürlich ganz besonders übel, wenn das Relais abschalten soll, weil die Heiztemperatur erreicht ist und der ATMega dann durch den Spannungseinbruch auf einmal eine niedrigere Temperatur auf Grund der falschen Referenzspannung berechnet.
Das Ergebnis ist: Das Relais zieht wieder an, weil die Temperatur ja fälschlicherweise unterschritten ist und das Spiel beginnt von vorne und findet nie ein Ende.

Mit zwei getrennten Spannungsreglern umgehen wir die Problematik und haben somit immer eine stabile Referenzspannung am ATMega anliegen.

Darauf zu achten ist, dass die beiden Spannungsregler eine Menge Hitze produzieren, da rund 7 Volt verbraten werden müssen. Der Regler für die Relais wird noch ein paar Grad heißer als der andere, wenn beide Relais angezogen sind, aber mit einem, oder zwei Fingerkühlkörper erreicht man Temperaturen um die 55-70 Grad auf den Bauteilen.
Recht heiß, aber liegt in der Toleranz. Nur nicht ohne Kühlkörper, denn das halten sie nicht lange durch!

 

Zu 3:

Ansteuerung HeizstabLED-Display

Man hätte die Schaltung auch Analog mit einem Operationsverstärker bauen können, aber mit einem LED-Display zur Temperaturanzeige war dann ein ATMega besser geeignet, da er über ausreichend Pins für Sensor und Display verfügt. Analog hätte ich dann zusätzlich noch Schieberegister gebraucht.

Was haben wir hier? Eine Minimalschaltung für einen ATMega328P-PU Controller, einen LM 35-Temperatursensor, ein 4 * 7 LED-Segment und eine Transistorschaltung an der ein Relais hängt, an das wir später den Aquarium-Heizstab hängen werden.

Das ist auch schon alles. Den Rest macht die Software auf dem ATMega. Diese liest kontinuierlich die Sensordaten des LM35-Sensors ein, bildet einen Mittelwert aus 100 Messungen und gibt die gemessene Temperatur auf dem LED-Display aus. Ferner überprüft sie, ob die Temperatur den vorgegebenen Wert – ich habe 45 Grad als Maximaltemperatur eingestellt – erreicht hat. Hat sie das, wird das Relais abgeschaltet und somit bekommt auch der Aquarium-Heizstab keinen Strom mehr.

Fällt nun die Temperatur unter die 45 Grad minus einer eingestellten Hysterese – ich habe 2 Grad eingestellt, also wären es 43 Grad unter die die Temperatur fallen muss – so schaltet das Relais wieder ein und der Heizstab beginnt wieder zu heizen.

Das Spiel wiederholt sich, sobald die 45 Grad wieder erreicht sind.

Für das Display habe ich neben drei normalen 330 Ω-Widerständen ein 10 Pin-Widerstandsnetzwerk mit gleichem Wert verwendet. Spart Platz, statt 5 einzelne Widerstände zu verwenden.

 

Zu 4:

Ansteuerung Membranpumpe

Die einfachste Schaltung der Platine. Eine Transistorschaltung, die ein angeschlossenes Relais ein- oder ausschaltet, an dem später die Membranpumpe hängt und somit das Ätzbad mit Sauerstoff umwälzt.
Das Ein- und Ausschalten funktioniert dann manuell per Schalter.

 

Zu 5:

Ansteuerung Saugpumpe

Die von mir verwendete Pumpe ist eine Kraftstoffpumpe mit Ansaugautomatik. Da der Motor per Schalter entweder füllt oder absaugt, muss man die Schläuche nicht immer wieder umhängen, sondern hat einen festen Zulauf zur Pumpe und einen Ablauf von der Pumpe.

Die Schaltung ist eine einfache H-Schaltung für Motoren und da diese Kraftstoffpumpe doch enorm Leistung hat, hat sie Leistungs-Darlington-Transistoren verpasst bekommen. Mit den angeschlossenen Elkos wäre ein Motorbetrieb mit rund 10 A möglich. Somit vollkommen ausreichend für diese Pumpe.
Alternativ kann man auch MOSFETs verwenden. Ich habe die BD677/678 Transistoren nur verwendet, weil sie da waren und die Spezifikationen erfüllen.

Auch hier darf man nicht auf Kühlkörper verzichten, da im Betrieb die Transistoren doch eine enorme Hitze produzieren. Ein Fingerkühlkörper pro Transistor reicht.

Ich habe nicht ausprobiert, wie lange man die Pumpe so laufen lassen könnte, aber sie ist auch laut Hersteller nicht für den Dauerbetrieb und auch nicht für einen Betrieb länger als 10 Minuten geeignet. Für meine Ätzküvette mit rund 2 Litern stellt das kein Problem dar. In etwas mehr als 2 Minuten ist die leergepumpt.

 

Generelles:

Platinenlayout

Ich habe das Layout bewusst auf zwei Platinen verbaut. Somit habe ich die Netzspannung separat auf einer und den Rest auf der anderen Platine. Nach meinem Kenntnisstand sind die Abstände und Dicke der Leiterbahnen (mehr als) ausreichend.
Auf der Platine mit der Netzspannung kommt es dummerweise zu einem Übergang von 230V zu 5V und zwar an den Relais. Die 5V schalten ja das Relais ein und aus.
Die Abstände sind zwar doch sehr groß, aber um absolut sicher zu gehen, habe ich zwischen den Relais Löcher gefräst. Somit kommt es auf keinen Fall zu einem Kriechstrom. In der Fotogalerie weiter unten ist ein Bild von der Platine zu sehen.

Zusätzlich solltet Ihr die Platine noch mit Lötstopplack einsprühen. Das verhindert ebenfalls Kriechströme.

Aderendhülsen im 230V-Netzbereich verwenden und nicht einfach die Anschlusslitzen drillen und/oder verzinnen.

Achtet darauf, solltet Ihr die Platinen zu einer Einzigen zusammensetzen, dass die Abstände zwischen Netzspannung und Niederspannung ausreichend sind.

2 kleine Bugs, die nach dem Erstellen der Platine auftraten:

Leider fiel mir etwas erst auf, nachdem das Layout fertig war und zwar an diesem Punkt (im oberen Drittel Unten):

Aetzkuevette_Elektronik_Layout_Error1

Die Widerstände sind ja auf der oberen Seite der Platine. Dummerweise meine Brücke (rot) auch. Hierfür unbedingt ein Stück isoliertes Kabel als Brücke verwenden.

Ich habe am Gehäuse einen Schalter um das erste Relais abzuschalten (siehe Foto in der Galerie unten).
Das fiel mir erst beim Zusammenbau auf, dass es sinnvoll ist, dass man den Heizstab gesondert abschaltet (und das Relais von der Temperatursteuerung trennt), sonst heizt er ja noch, wenn man bereits mit der Pumpe das Natriumpersulfat absaugt.

Hierfür habe ich einfach die Leitung zu JP2 auf der Netzspannungsplatine aufgetrennt und den Schalter dazwischen gebaut.

Taster

Somit kann man, egal welche Temperatur angezeigt wird, das Relais abschalten.

Das einzige SMD-Bauteil ist der Brückengleichrichter, der auf die Unterseite der Platine eingelötet wird. Keine Angst, er ist relativ groß und hat nur vier Beinchen, die auch noch recht weit auseinanderstehen. Lässt sich problemlos mit einem normalen Lötkolben ohne Extras löten.

R4 (in der Nähe des ATMega-ICs) ist ja ein Potentiometer. Dieser dient zur korrekten Einstellung der Temperatur. Er muss zwar in der Regel nur ein Mal eingestellt werden, aber auf Grund der Enge meines Gehäuses habe ich ihn nicht direkt auf die Platine gelötet, sondern mit Pin und Stecker und drei Kabeln verbunden und ihn im Anschluss einfach ins Gehäuse geworfen. Somit kann man eine Feineinstellung vornehmen, ohne die Platine herausziehen zu müssen, was eine Qual ist, mit den ganzen Verkabelungen für die Schalter.

Das Kabel für den Sensor hat eine Länge von 2 Meter und ist ein dreiadriges Netzspannungs-Stromkabel, daher auch gut geschirmt. Verbunden wird es mit einem 3poligen-Klinkenstecker und einer 3poligen-Klinkenbuchse mit dem Gerät.
Am Kabelende ist der LM35 angelötet der anschließend in ein Stück Schrumpfschlauch gepackt ist und wasserdicht mit einem Feuerzeug zugeschweißt wurde.

lm35kabel

Auf dem Printtrafo ist ein viel höherer Wert für die primäre Sicherung angegeben. Ich verwende eine träge 0,25A Feinsicherung. Läuft problemlos, ohne dass die Sicherung beim Einschalten schon durchknallt. Auch im weiteren Betrieb gab es bisher noch keine Probleme. Aber lieber sie knallt eher durch … ist im Nachhinein vielleicht weniger kaputt.

Am besten einen 28Pin-Sockel für den ATMega verwenden.

Wer einen Programmer hat, muss den Controller nicht ausbauen, sondern er kann VCC und GND an „J1 LED“ anschließen und hat bei „JP 13 7Segment 4stellig“ rechts die letzten drei Pins 11, 12, 13 für MOSI, MISO und SCK. Lediglich Reset muss mit einem Kabel direkt an den Pin 1 des ATMega gehalten werden. (Achtung, dass das Gerät NICHT in der Steckdose steckt, wenn es Offen ist !!!)
RXD/TXD (JP14) sitzt links direkt neben dem eben erwähnten JP13. Sollte auch damit programmiert werden können (nicht getestet).
Ansonsten halt vom Sockel nehmen und auf einen UNO stecken zum Übertragen des Sketches.

Bei mir seht Ihr nur ein 3stelliges LED-Display. Das liegt daran, dass ich noch ein kaputtes übrig hatte, bei dem die letzte Zahl defekt ist. Somit habe ich diese kurzerhand einfach runtergefräst.
Der Sketch ist aber für ein 4stelliges-LED-Display ausgelegt und es passt auch von den Maßen eines 4Stelligen ins Gehäuse.

Wichtig: Für das LED-Display unbedingt einseitig die abgewinkelte Stiftleiste benutzen, da Ihr sonst auf Grund der geringen Abstände im Gehäuse zwischen Außenschalter und Platine nicht genügend Platz habt. Die gewinkelte Stiftleiste neigt sich in Richtung des Mikrocontrollers.

Apropos Gehäuse: Verwendet kein Metallgehäuse! Da meine Gehäusemaße nicht mehr hergeben und die Geräte, die angeschlossen werden, eh nur Eurostecker ohne Erdung verwenden, hat das Gerät keine Erdung.
Es dürfen KEINE leitenden Metallteile, die im Kriechstrombereich oder mit Netzspannung versorgt werden, nach außen führen, dann ist es kein Problem. Nehmt also ein nicht brennbares Vollplastikgehäuse.
In meinem Fall ist ein toller Aludeckel drauf. Diesen habe ich von innen lackiert, damit er nicht mehr leitend ist.

Als Trennwand zwischen Elektronik und der Saugpumpe habe ich einen Überrest einer zweiseitigen Kupfer-Platine genommen (auch diese ist zumindest auf der Elektronikseite lackiert). Diese ist Wasserdicht mit Silikon verklebt, damit die Suppe – sollte es mal Probleme mit einem Schlauch oder der Pumpe geben – keinen Kurzschluss verursachen kann.
Dennoch sollte man nicht unbeabsichtigt die Pumpe laufen lassen, da der wasserdichte Raum sehr begrenzt ist.

Bohrt am besten noch ein paar Löcher für die beiden Platinen ins Gehäuse, damit die warme Luft besser zirkulieren kann. Siehe Foto in der Galerie.

Die verwendeten Euro-Kupplungen sind Schrott, allerdings scheint es nur diese zu geben und auch nur über den Versand, oder bei Conrad direkt.
Das Problem ist, dass der eingesteckte Stecker nicht immer Kontakt hat, da es keine Klemmbügel wie für einen SCHUKO-Stecker gibt.
Improvisation: Damit der Stecker auch wirklich hält und Kontakt hat, klebt am besten ein Stück (weiße) Pappe in den Randbereich der Kupplung auf. Dadurch geht der Stecker schwerer rein und wackelt dann natürlich auch nicht. Weiter unten unter „Erste Inbetriebnahme des Geräts“ ist ein Bild, da sieht man ganz gut den Pappstreifen in der Kupplung.

Und UNBEDINGT isoliertes Kabel mit einem Durchmesser von mindestens 0,75 verwenden, um die Euro-Kupplungen an die Relais anzuschließen!

Die Schläuche der Saugpumpe bereiten nach einiger Zeit des Aufgewickelt-Seins ein wenig Probleme, denn die Schlauchöffnung dreht sich immer nach oben.
Als Lösung habe ich hierfür pro Schlauch 4 Stück M8-Muttern verwendet, die ich mit einem Schrumpfschlauch (ø 13mm) und einem Schrumpfschlauch (ø 10mm) versehen habe. Somit haben wir mehr Gewicht am Schlauchende und es rollt sich nicht mehr hoch.

Und damit das Schlauchende nicht suppt – es bleiben ja immer Tropfen im Schlauch – habe ich zusätzlich aus meinem Bauteilfriedhof zwei kaputte LEDs genommen, die Beine vollständig entfernt und sie mit etwas Kraft auf das Schlauchende gedrückt. Danach erhitzt man den Schlauch ein wenig, damit er sich an die breitere LED anpasst. Das macht das künftige auf- und absetzen der LED einfacher. Die LED sieht man auf dem letzten Bild.

 

Am Ende findet Ihr eine Liste der verwendeten Bauteile. Es war nicht einfach, das alles in das Gehäuse unterzubekommen und dann auch noch auf Sicherheit zu achten, dennoch denke ich, dass das so für den Hobbygebrauch dauerhaft einsetzbar ist.
Ihr braucht also auch noch Minifräse, Heißkleber, viel Kabel, viel Geduld und müsst manchmal ein wenig improvisieren.

Und wie bereits erwähnt: Ihr bastelt auf eigene Gefahr. Ich übernehme keine Haftung für Fehler und/oder (Personen-)Schäden.
Informiert Euch bitte genau über Netzspannung und deren möglichen Gefahren. Absolutes Basic: Stichwort „Die 5 Sicherheitsregeln der Elektrotechnik“.
Einen Lustigen, aber Lehrreichen 15 Minuten-Clip könnt Ihr Euch hier ansehen.

Hier sind ein paar Innen- und Außenaufnahmen des Gerätes, ich nenne meine Steuerung „Binford 6100“ 🙂 :

 

Erste Inbetriebnahme des Geräts

So, jetzt kommt es zum ersten Konflikt zu dem, was ich Euch vorhin geschrieben hatte: Ihr müsst das Gerät mit offenem Deckel laufen lassen, damit Ihr an den Potentiometer kommt. Seid also ganz besonders vorsichtig und deckt eventuell die beiden Platinen mit einem Lappen ab, oder Ihr baut den Poti ans Gehäuse, damit Ihr ihn mit einem Schraubenzieher auch von außen drehen könnt.

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Dann braucht Ihr noch ein weiteres Thermometer als Referenz und ein Glas Wasser.

Wir stecken unseren Sensor ins Wasser und messen die Temperatur des Wassers im Glas mit dem Referenz-Thermometer.
Nun stellen wir mit Hilfe des Potentiometers die Temperatur so ein, dass wir so genau wie möglich die Temperatur erreichen, die uns das Referenz-Thermometer anzeigt.
Der LM35 hat eine Ungenauigkeit von 0.5°C. Es dürfte daher schwer sein, dauerhaft den gleichen Wert zu halten. Die LED-Anzeige wird immer leicht im Nachkommabereich hüpfen. Das ist normal und nicht so tragisch.

Wenn die Temperatur übereinstimmt, dann ausschalten, Deckel drauf, fertig.
Nun ist die elektronische Ansteuerung für die Ätzküvette einsatzbereit zur Platinenherstellung.

Hier gibt es ein Video über einen vollständigen Ablauf:

Downloads:

 

 

Ich habe die günstigsten Preise (außer eBay) zusammengesucht. Leider gibt es nicht bei jedem alle Teile, so dass man beispielsweise bei Pollin schauen muss, ob man nicht sonst noch was aus dem Shop bestellen kann (Lötzinn, Schrumpfschlauch und andere Verbrauchsmaterialien werden immer gerne genommen).
Sowohl Pollin, als auch Conrad haben ja auch gelegentlich eine Aktion, wo sie Versandkostenfrei liefern.

Insgesamt liegen die reinen Materialkosten so bei 65-70 EUR. Schwankt natürlich, je nachdem, was Ihr noch zu Hause habt.

Alle benötigten Bauteile gleich bestellen:

 

 

 

Die aktuelle vollständige Stückliste (BOM) kann auch entweder als PDF oder Excel-Datei heruntergeladen werden:

 

 

Ich würde mich freuen, wenn Ihr bei Reichelt und Conrad bestellt und Ihr die Links in der Stückliste benutzt und/oder den Reichelt-Warenkorb, denn so bekomme ich eine Werbekostenvergütung, die zur teilweisen Deckung der monatlichen Kosten für diese Website sehr gerne genommen wird. Vielen Dank.

07.10.2016


Harry Milatz

8. Oktober 2016 at 8:41 pm

Hi Michael,

danke, dass dich meine Anleitung hierzu inspiriert hat. Gefällt mir wirklich gut:)

Gruss Harry

    Ronin

    9. Oktober 2016 at 4:42 pm

    Hallo Harry,

    ich hab zu danken 🙂

    Viele Grüße,
    Michael

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