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Automatische Dunstabzugshaube

Automated extractor/range hood

Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis

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!!!

Summary and table of contents

This website shows the development of a circuit switching a kitchen extraction/range hood automatically on demand


DISCLAIMER: This is a hobbyist project that is not meant to be a finished end customer product.If you choose to replicate this build, you are doing so at your own risk!!

AllgemeinesAbout

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.

In our small family we like to cook often, which is very nice. However, especially when sautéing ingredients, there is quite a bit of fumes and food odor. The great invention the hood is supposed to save the apartment from smelling uniformly like "appetizer".

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.

But that's where the practice strikes: such a device helps only when you turn it on. And this often doesn't happen when several family members also use the kitchen as a convivial place, distracting the conversation from secondary matters, such as turning on the hood.

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

Today there should be better ways to do this, right? Maybe even without modifying the hood or the stove itself.

FunktionsbeschreibungFunctional description

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.

Since a stove needs relatively large currents for its operation, it is very easy to see whether the stove is in operation by means of a current transformer. This works both for classic appliances with heating coils in cast iron or under glass ceramic, but also for induction cooktops.

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.

Quadruple cooktops occupy, at least one Germany, two phases of 3 phase AC line. The third phase of the stove wall box is mostly intended for the oven. Therefore, if one forms the (vector) sum of the currents of the two stove phases, one can reliably deduce whether cooking is in progress.

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.

This summation results directly from the physics of magnetic current transformers, which are nothing more than a transformer with one primary winding and many secondary windings. The magnetic fluxes of the conductors passing through the transformer add up and produce a current signal proportional to their sum.

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

Today, asien current transformers can be purchased at a very reasonable price, so that this seems to be a viable way to automation.

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.

Current transformers convert the current AC line of the stove and are galvanically separated, so processing of their output can be done rather safely with simple microcontroller circuits.

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.

The code running on the arduino does most of its heavy lifting using EmonLibrary, a library intended for energey monitoring. It can filter out the DC-Offset we added using the voltage divider and calculates a RMS value. All of this could be done from scratch but one can be lazy these days.

Schaltplan der AbzugshaubensteuerungSchematic diagram

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.

Since the current transformer, as the name suggests, converts a current signal into one with a different scaling, it must first be converted into a voltage signal for digitization. This is done with a simple resistor in parallel to the converter output.

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.

But watch out: some converters already contain the shunt resistor, like the model SCT-013-005 procured by the author. Then the input of the circuit must be high impedance, therefore R1 has 10kOhm in this schematic!

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.

But why the whole thing with the resistors around the input?
The anlog/digital converters of the ATMega can, just like almost all other A/D converters in microcontrollers, only measure voltages between zero volts and the given (positive) reference voltage.

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.

However, the signal of the current converter is a pure AC voltage, so it has just as equal voltage swing in positive as in negative direction. To be able to measure it well, it is therefore advantageously pulled "up" by exactly half of the reference voltage. This is done by 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.

This reference voltage can be generated using the quite stable voltage reference TL431 or simply the plain +5V operating voltage can be used. The latter is not particularly immune to temperature changes, but should actually suffice. Another advantage of the reference TL431 is that the value range of 0..1024 of the 10-bit A/D converter is better used, since the reference voltage, i.e. the one at which 1024 count are reached, is 2.5V and not 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.

Thus the A/D converted signal from the current transformer maps to larger values. Because one A/D increment corresponds at 5V/1024 to about 4.9mV and at 2.5V it is only 2.4mV, so a signal of maximum one volt (according to the data sheet of the converter) at 5V reference voltage is read as 204 count, at 2.5V it is already 409 count.

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.

The output voltage should be switched off at all poles, i.e. both the neutral and the phase should be interrupted, in case one of the relays sticks. Therefore two separate relays were used which are switched simultaneously.

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.

During commissioning, there was still a small issue: the stove connection line did not pass by close enough to the exhaust hood, so the converter could not be placed directly in the kitchen. At least not without bringing in the big tools and causing a lot of debris. Therefore, this was placed in the sub-distribution box. This is about 20m worth cable away from the range hood, so the signal came back there via phone line. So far so good, but this line had so much capacitive loading that the signal was simply unusable. Now a "booster" module was quickly built, which is simply an opamp as an impedance converter, so the relatively high impedance output of the converter was converted to a voltage output, and the signal survives the route largely unscathed.
Probably this would not have happened with a current transformer with current output (e.g. the SCT-013-000) with a properly dimensioned load resistor. Because a current loop should not be so vulnerable.

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

This board now hangs off the sub-distribution for now.

Mechanischer AufbauMechanical installation

Als Gehäuse dient ein Kleingehäse, 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.

A small case is used as housing, as it was originally meant as a box for four circuit breakers. The electronics built on a breadboard, because the project had to be finished quickly. Here the part with mains voltage and the low voltage part were separated as far as possible.

Verwendete TeileComponents used

Ansonsten Reste, die irgendwie noch herum lagen, wie eine alte Steckdose, ein Schuko-Kabel, das Gehäuse, usw. And some other stuff that here. Like an old wall socket, a power cord with ground line, the chassis, and so on.

Code für den MicrorechnerCode for the micro controller

Das Arduino-Projekt setzt primär auf der OpenEnergyMonitor-Bibliothek auf. Daher ist der Code selbst sehr kurz. Hier kann der Arduino-Sketch heruntergeladen werden. As the project is largely using EmonLibrary, so the code itself is rather rudimentary. Here you can find the arduino sketch.