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Das sublab - ein Hackerspace in Leipzig

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Mit Fermentation lassen sich viele nette Dinge herstellen, angefangen von Tempeh über Sojasoße bis hin zu Nattō. Ein Fermenter in dem man die Temperatur regeln kann ist dafür je nach konkretem Anwendungsfall nützlich oder erforderlich. Auf dieser Wikiseite soll nun der im sublab gebaute Fermenter beschrieben werden.

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Da der Fermenter über längere Zeit Temperaturen um die 30°C aufrecht erhalten soll, empfiehlt es sich, dafür einen isolierten Schrank zu nutzen, um nicht unnötig Energie zu verschwenden. Auf der Suche nach einem Schrank der diese Anforderung erfüllt wird man relativ schnell fündig: Kühlschränke gibt es zuhauf und sie sind normalerweise recht gut isoliert. Nach einem Aufruf auf der Mailingliste hatten wir relativ schnell einen alten Getränkekühlschrank im sublab stehen der darauf wartete zum Fermenter umgebaut zu werden.

Such Electronics

Bei dessen Untersuchung stellte sich heraus dass die Kühlung nicht wie oftmals üblich mittels eines Kompressors und Kühlmittelkreislaufs realisiert war, sondern durch ein Peltier-Element. Zwar sind diese beim Einsatz zum Kühlen nicht besonders effizient, haben für unsere Anwendung aber den Vorteil dass man sie meist einfach umpolen kann und damit dann in diesem Falle das Innere des Kühlschranks heizen.

Netzteil

Hauptplatine/Netzteil des Kühlschranks

Die aktive Elektronik des Kühlschranks bestand aus einer einzigen Platine. Auf der einen Seite wurde sie ans Stromnetz angeschlossen, auf der anderen Seite befanden sich Anschlüsse für das Peltierelement, den sich im Kühlschrank befindenden Temperatursensor und die Lüfter die sowohl innen als auch aussen einen ausreichenden Wärmefluss am Peltierelement sicherstellen. Diese Platine stellte sich mehr oder weniger als ein 12V Netzteil heraus das zusaetzlich in der Lage ist, die Stromversorgung des Peltierelements abzuschalten, sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist. Um die Temperatur im Fermenter selber regeln zu können, war dieses Modul nicht direkt geeignet, da es dazu keine Dokumentation gab und es auch nicht in der Lage schien das Peltier-Element umpolen zu können. Daher wurde kurzerhand die Buchse an welche der Temperatursensor angeschlossen war ausgelötet und durch einen Widerstand ersetzt. Dieser vermittelt dem Modul kontinuierlich den Eindruck, es sei zu warm im Kühlschrank. Weiterhin wurde das Peltierelement von dem Modul abgetrennt und an dessen ehemaligen Anschluss zwei Drähte eingelötet, und fertig war das 12V Netzteil für die eigene Temperaturregelung.

Regelung

Schaltplan der Regelung

Um die Temperatur im Fermenter regeln zu können brauchten wir eine Schaltung die die Temperatur im Inneren des Schrankes misst und entscheidet ob es notwendig ist mit dem Peltier-Element zu heizen oder zu kühlen um die gewünschte Zieltemperatur zu erreichen bzw zu halten. Zum Einsatz kam dabei ein in der Grabbelkiste vorhandener ATMega32 der für diesen Zweck ziemlich übertrieben ist, aber alles notwendige mitbringt. Der ATMega wird mit 5V betrieben die mit einem Linearregler des Typs 7805 erzeugt werden.

Der Temperatursensor wird über den ADC des ATMega ausgelesen. Am ADC Eingang kann eine Spannung zwischen 0 bis 2.56V gemessen werden. Um diesen Bereich effizient für die Temperaturmessung ausnutzen zu können wurde mit Q6, R9, R10 und R11 eine Konstantstromquelle aufgebaut sodass am Eingang des ADC eine zum Widerstand des Temperaturfühlers proportionale Spannung anliegt. (Rückblickend ist die Konstantstromquelle keine so gute Idee, da sie aufgrund des kleinen benötigten Stroms sehr fragil auf Bauteiltoleranzen reagiert. Ein einfacher Spannungsteiler wäre wahrscheinlich ausreichend und besser gewesen.)

Um die Temperatur von aussen setzen und überwachen zu können wird der UART des ATMega benutzt um eine serielle Schnittstelle bereit zu stellen.

Schaltplan der H-Bridge

Das Peltier-Element soll durch die Regelelektronik sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen benutzt werden. Um es dementsprechend umpolen zu können ist der Ausgang als H-Brücke aus 2-PMOS und 2-NMOS Transistoren mit vorgeschalteter Treiberschaltung aufgebaut. Dabei ist zu beachten dass nie beide Transistoren einer Seite gleichzeitig durchgeschaltet werden dürfen da diese ansonsten ein Kurzschluss der 12V Spannungsversorgung verursachen. Um schnellere Schaltzeiten zu ermöglichen und den Stromverbrauch zu reduzieren könnten die Widerstände R1-R4 durch 4,7 Kiloohm ersetzt und den Transistoren T1-T4 eine Gegentaktendstufe nachgeschaltet werden.

Der Aufbau dieser Schaltung erfolgte prototypisch auf einer Lochrasterplatine, in dieser Form ist sie aktuell auch noch in Benutzung.

Such Software

Der ATMega wurde in C programmiert, der Source-Code findet sich im git. Die Ansteuerung des Peltier-Elements übernimmt momentan ein simpler Dreipunktregler. Ob die Regelung aktiv ist und welche die Zieltemperatur ist, kann über die Serielle Schnittstelle kontrolliert werden. Ebenso kann über diese die aktuelle Temperatur abgefragt werden.