Automatische Dunstabzugshaube

Diese Seite beschäftigt sich mit dem Aufbau einer Schaltung, die eine Dunstabzugshaube bei Bedarf automatisch einschaltet bzw. auch wieder aus.

HINWEIS: Bei diesem Hobbyprojekt handelt es sich um einen Prototypen einer Idee und nicht um ein fertiges Produkt. Nachbau und Verwendung erfolgen auf eigenes Risiko!!!

Allgemeines

In unserer kleinen Familie wird gern und oft gekocht, was sehr schön ist. Allerdings kommt, insbesondere beim Anbraten von Zutaten, dazu dass sich doch einiges an Dunst und Essensgeruch bildet. Die tolle Erfindung der Abzugshaube soll die Wohnung davor bewahren, einheitlich nach "Appetitanreger" zu riechen.

Doch genau dort schlägt die Praxis zu: Solch ein Gerät hilft nur, wenn man es auch einschaltet. Und das passiert öfter nicht, wenn mehrere Familienmitglieder die Küche auch gleich als gesseligen Ort nutzen und die Gespräche von Nebensachen, wie dem Einschalten der Abzugshaube, ablenken.

Das muss doch heute auch besser gehen, oder? Also auch ohne die Abzugshaube oder den Herd selbst zu modifizieren.

Funktionsbeschreibung

Da ein Herd für seinen Betrieb doch relativ große Ströme braucht, kann man mittels eines Stromwandlers sehr gut erkennen, ob der Herd in Betrieb ist. Dies funktioniert sowohl für klassische Geräte mit Heizschlangen in Guss oder unter Glaskeramik, aber auch bei Induktionskochfeldern.

Vierfach-Kochfelder belegen, zumindest ein Deutschland, zwei Netzphasen. Die dritte Phase des Herdanschlusses ist zumeist für den Backofen bestimmt. Bildet man also die (Vektor-)Summe der Ströme der beiden Herd-Phasen, so kann man zuverlässig erkennen, ob gerade gekocht wird.

Diese Summenbildung ergibt sich aufgrund der Physik automatisch bei magnetischen Stromwandler, die nichts anderes als einen Trafo mit einer Windung primär und vielen Windungen Sekundär darstellen. Die Magnetischen Flüsse der durch den Wandler geführten Leiter addieren sich und erzeugen ein, zu deren Summe proportionales Stromsignal.

Heute sind Stromwandler asiatischer Produktion überraschend günstig zu erstehen, sodass dies ein gangbarer Weg zu einer Automation zu sein erscheint.

Über dies setzen Stromwandler den Strom innerhalb der Anschlussleitung des Herds galvanisch getrennt um, sodass man deren Ausgabe (relativ) gefahrlos mit einfachen Mikrocontrollern auswerten kann.

Das Programm auf dem Microcontroller basiert auf der EmonLibrary, einer Bibliothek die eigenlich zur Energiemessung gedacht war. Diese filtert automatisch den DC-Offset aus dem Signal heraus und bildet einen RMS-Wert, alles Dinge die mal auch selbst schreiben kann, wenn man Zeit investieren will.

Schaltplan der Abzugshaubensteuerung

Da der Stromwandler, wie der Name schon andeutet, ein Stromsignal in eines mit einer anderen Skalierung umwandelt, muss dieses zur Auswertung erst einmal in ein Spannungssignal verwandelt werden. Dies geschieht mit einem einfachen Widerstand parallel zum Wandlerausgang.

Aber vorsicht manche Wandler enthalten bereits den Shuntwiderstand, so wie das vom Autor beschaffte Modell SCT-013-005. Dann muss der Eingang der Schaltung hochohmig sein, dies ist im Schaltplan entsprechend durch R1 mit 10kOhm gegeben.

Aber warum das Ganze mit den Widerständen um den Eingang?
Die Analog/Digitalwandler des ATMega können, genau wie fast alle anderen A/D-Wandler in Microcontrollern, nur Spannungen zwischen Null-Volt und der eingestellten (positiven) Referenzspannung messen.

Das Signal des Stromwandlers ist aber eine reine Wechselspannung, hat also genauso hohe Spannungsspitzen in positiver wie in negativer Richtung. Um es gut messen zu können, wird es also vorteilhafterweise um genau die Hälfte der Referenzspannung nach "oben" gezogen. Dies geschieht durch R2/R3.

Diese Referenzspannung kann in dieser Schaltung mit der recht stabilen Spannungsreferenz TL431 erzeugt oder einfach die etwa +5V Betriebsspanung benutzt werden. Letztere ist nicht sonderlich Stabil bei Temperaturveränderung, sollte aber eigentlich reichen. Ein weiterer Vorteil der Referenz TL431 ist es, dass der Wertebereich von 0..1024 des 10-Bit A/D-Wandlers besser genutzt wird, da die Referenzspannung, also die bei der 1024 Zähler erreicht werden bei 2.5V liegt und nicht bei 5V.

Dadurch erscheint das A/D gewandelte Signal aus dem Stromwandler automatisch mit größeren Werten. Denn ein A/D-Inkrement entspricht bei 5V/1024 etwas 4,9mV und bei 2,5V sind es nur 2,4mV, so wird ein Signal von maximal einem Volt (lt. Datenblatt des Wandlers) bei 5V-Referenzspannung als 204 Inkremente gelesen, bei 2,5V sind es schon 409 Inkremente.

Die Ausgangsspannung sollte allpolig abgeschaltet werden, also sowohl der Neutralleiter als auch die Phase sollten unterbrochen werden, für den Fall, dass eines der Relais kleben bleibt. Daher wurde zwei separate Relais genutzt die gleichzeitig geschaltet werden.

Bei Inbetriebnahme gab es noch ein kleines Problem: Die Herdanschlussleitung kam nicht nahe genug an der Abzugshaube vorbei, sodass der Wandler nicht direkt in der Küche gesetzt werden konnte. Jedenfalls nicht ohne grobes Werkzeug und einer Menge Dreck. Daher wurde dieser in der Unterverteilung platziert. Diese ist ca. 20m Kabelweg von der Abzugshaube entfernt, also kam das Signal per Telefonleitung dort hin zurück. Soweit so gut, allerdings hatte diese Leitung so viel Kapazität, dass das Signal schlicht unbrauchbar war. Nun wurde schnell ein "Booster"-Modul gebaut, welches einfach einen OPV als Impedanzwandler darstellt, so wurde der relativ hochohmige Ausgang des Wandlers zu einem Spannungsausgang umgewandlet, und das Signal überlebt die Strecke weitgehend unbeschadet.
Vermutlich wäre das mit einem Stromwandler mit Stromausgang (z.B. dem SCT-013-000) mit gescheit dimensionierten Bürdenwiderstand nicht passiert. Denn eine Stromschleife sollte solche Probleme nicht machen.

Diese Platine ist dann auch noch, erst einmal, neben der Unterverteilung gelandet.

Mechanischer Aufbau

Als Gehäuse dient ein Kleingehäuse, wie es eigentlich als Einbauraum für vier Sicherungsautomaten dienen sollte. Die Elektronik ist auf einer Lochrasterplatine untergebracht, da das Projekt relativ schnell gehen sollte. Hierbei wurde der Teil mit Netzspannung und der Niederspannungsteil möglichst weit getrennt.

Verwendete Teile

• 1x Arduino Nano
• 1x YHDC SCT-013-005 Messwandler 1V/30A
• 1x Klinkenbuchse 3,5mm
• 1x Klinkenstecker 3,5mm
• 2x Relais FUJITSU-TAKAMISAWA JS 05-N-K
• 1x Diode 1N4184
• 1x Transistor BC847A
• 1x Schaltnetzteil in Printmontage 230V nach 5V@1A
• 2x Sicherungshalter
• 2x Dreipolige Aufzugklemmen

Ansonsten Reste, die irgendwie noch herum lagen, wie eine alte Steckdose, ein Schuko-Kabel, das Gehäuse, usw.

Code für den Microrechner

Das Arduino-Projekt setzt primär auf der OpenEnergyMonitor-Bibliothek auf. Daher ist der Code selbst sehr kurz. Hier kann der Arduino-Sketch heruntergeladen werden.