12V-Pumpensteuerung mit Zeitverzögerung ohne Schwimmer

[Moppi]

Vor ein paar Wochen habe ich eine Pumpensteuerung entworfen, um automatisch Wasser aus einem Keller abzupumpen. Ich fing mit zwei Transistoren, einem Relais und etwas Beschaltung an, nach und nach hat sich das dann zu einem analogen Schaltplan entwickelt, der so manches Problem dabei beheben musste. Ich wusste gar nicht, dass das so schwierig sein könnte, Wasser eindeutig zu detektieren. Ich wollte eine Schwimmermechanik sparen und einfach eine kleine 12V-Pumpe verwenden.


Also ich habe nicht aufgegeben, bis das Ziel erreicht war. Meine Gesamtschaltung verbraucht im Ruhezustand irgendwas unter 200µA, was für den Batteriebetrieb (10x AA 1.5V) sehr gut passt. Da es eine Analogschaltung ist, steigt der Stromverbrauch, wenn die Wasserbrücke geschlossen wird (auch eine Erkenntnis, die zu lernen war, dass sich der Widerstand zwischen den Messleitungen langsam verringert, bis sie endlich überbrückt sind).

Bild hier  


1. Grundarchitektur und Spannungsversorgung


Die gesamte Schaltung wird mit einer Betriebsspannung zwischen 9,4 V und 15 V betrieben. Ein LDO-Regler (LM2936Z5.0) liefert eine stabilisierte Spannung von ~5,05 V, die für die Timer-Schaltungen verwendet wird. Die Schaltung hat zwei Hauptfunktionen: eine Hauptsteuerung mit kurzer Abfallverzögerung und einen separaten, langen Wiedereinschalt-Timer.


2. Wasserdetektion und Haupttransistor T1


Eine Messleitung der Wasserbrücke ist mit der Betriebsspannung verbunden, die andere mit dem Eingang der Schaltung. Von hier führt ein 100 kOhm Widerstand zur Basis des Transistors T1.
Ein 500 kOhm Widerstand zieht die Basis von T1 gegen Masse, was die Eingangsempfindlichkeit verringert und für einen stabilen Zustand bei offenen Messleitungen sorgt.
Ein 0,33µF Kondensator (C2) ist am Eingang geschaltet, um das Signal zu glätten und zu stabilisieren (Messleitungen mit 3m Länge).
Der Kollektor von T1 ist über einen 1 kOhm Widerstand mit dem LDO-Ausgang verbunden. Die stabile 5,05V-Spannung sorgt hier für einen definierten und stabilen Schwellwert des Transistors.
Der Emitter von T1 ist der Ausgang (Emitterfolger) der Steuerung für die nachfolgende Darlington-Stufe, die das Relais schaltet. Direkt am Emitter wird noch die Schaltschwelle durch weitere Widerstandswerte festgelegt. Ein kleiner Kondensator sorgt hier für Unterdrückung hochfrequenter Signale und stabilisiert die Emitterspannung etwas.


3. Darlington-Stufe und Relais-Ansteuerung


Dieser Block schaltet das Relais und die Pumpe. Die Steuerung erfolgt über eine Darlington-Schaltung, die aus T2 und T3 gebildet wird.
Die Relaisspule ist zwischen der Betriebsspannung und den miteinander verbundenen Kollektoren von T2 und T3 geschaltet. Die Darlington-Stufe schaltet die Spule über den Emitter von T3 gegen Masse.
Das Relais hat eine Spule mit einem internen Widerstand von 710 Ohm. Eine Freilaufdiode ist parallel zur Spule geschaltet, um die Transistoren vor induktiven Spannungsspitzen zu schützen.
Ein Kondensator am Eingang der Darlington-Stufe vernichtet Störungen, die durch das Schalten der Relaiskontakte entstehen und fördert ein zuverlässiges Einschalten dieser Stufe.


4. Abfallverzögerung (Kurzzeit-Timer)


Dieser Mechanismus verhindert dass das Relais abfällt und die Pumpe abschaltet, sobald T1 kein Signal mehr liefert, indem er es für einige Zeit angezogen lässt.
Der LDO (LM2936Z5.0) lädt über einen Kontakt des Relais einen 100µF Elko auf 5,05V.
Sobald die Wasserbrücke unterbrochen wird, hält das Relais für die eingestellte Zeit, indem sich der Kondensator C6 über einen 1 MOhm Trimmer (R5) und weitere Widerstände entlädt.
Diese Entladung hält die Darlington-Stufe und damit die Pumpe für eine einstellbare Zeit von ~4 Sekunden bis 2 Minuten und 40 Sekunden aktiv.


5. Wiedereinschaltverzögerung (Langzeit-Timer)


Dieser Block ist eine separate Schaltung, die das gesamte System nach dem Abpumpen für eine lange Zeit sperrt. Den habe ich zum Schluss nachgerüstet.
Ein Kontakt des Relais ist mit einer Ladeschaltung verbunden, die einen Kondensator lädt. Diese Ladeschaltung besteht aus einer 1N4148-Diode und einem 220 Ohm Widerstand, die den Pluspol eines Kondensators mit der Betriebsspannung verbinden.
Der Kondensator wird geladen, solange das Relais aktiv ist und die Selbsthaltung besteht. Der Pluspol des Kondensators ist über einen 1 MO Widerstand mit der Basis einer dreifachen Darlington-Stufe verbunden (die ermöglicht die lange Verzögerungszeit bei relativ kleiner Kapazität von C5).
Die Ladung von C5 hält die Darlington-Stufe aktiv, welche die Basis von T1 gegen Masse zieht und ihn sperrt. Dies geschieht unmittelbar nach dem Anziehen des Relais.
Die Zeit, bis sich der Kondensator so weit entladen hat, dass T1 freigegeben wird, beträgt ca. 20 Minuten bis 1 Stunde. In dieser Zeit soll ein Wasserfilm so weit verschwunden sein, dass die Messleitungen wieder komplett offen sind.