PimpMyIceBox

Wie kann man eine Tiefkühltruhe für Speiseeis möglichst einfach zum Kühlschrank für das private Bierbrauen umbauen? Ganz einfach: Alten komplett mechanischen Thermostaten rausreißen und neuen microkontroller-gesteuerte Regelung mit Temperaturanzeige einbauen.

Ausgang dieses Projekts war eine verdammt günstig aufgetriebene Tiefkühltruhe, in der normalerweise in den heißen Sommermonaten leckeres Eis eines bekannten Produzenten lagerte. Foto davon vor dem Umbau bzw. dem Pimp, die Werbung übermal ich jetzt nicht.

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Die Truhe hatte zwar schon einige Jahre auf dem Buckel, funktionierte aber tadellos. Es war überraschend, wie schnell so ein Ding kalte Luft produzieren konnte und nach wenigen Minuten kleine Wasserflecken gefroren. Aus diesem Grund musste die “grindige Berta” ordentlich gepimpt werden.

Funktionsumfang

Kurze Zusammenfassung, was die Kühltruhe nach dem Aufmotzen können sollte. Temperaturmessung und damit Regelung auf den Sollwert im Bereich von 0 bis 10°C. Anzeige der aktuellen Temperatur und bei Änderung kurze Anzeige der eingestellten Temperatur. Ganz klar, dass hier ein Microkontroller zum Einsatz kommt.

Für diese verhältnismäßig einfache Aufgabe reicht der ATtiny26. Die Temperatur wurde mit zwei NTC-Widerständen mit 10k bei 20°C in einer Spannungsteilerschaltung gemessen. Zum Ein- und Ausschalten des Kompressors gab es gleich ein passendes Relais mit Anschlussklemmen am Ausgang. Dadurch lassen sich die Kabelanschlüsse vom alten Thermostat einfach an das Relais stecken man erspart sich die Klemme für die Last. Für die Anzeige kommt das gute alte 7-Segment-Display mit blauen LEDs zum Einsatz, wie sie zu einer Kühlbox passen.

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Schaltplan

Schaltplan PimpMyIceBox (PDF, 54KB)

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Die Versorgungsschaltung mit Trafo und Spannungsstabilisierung sowie das Lastrelais wurden auf einer separaten Platine platziert, welche später am Platz des alten Thermostats eingebaut wurde. Der µC mit Anzeige und Einstellpoti können damit zur leichten Bedienung an der Abdeckblende der Kühltruhe angebracht werden. Bei der Wahl des Relais muss die Leistung des Kompressors von 1,2kW berücksichtigt werden.

Die beiden Stellen des Displays werden zeitlich gemultiplext, man erspart sich damit sieben Vorwiderstände und fünf I/O-Ports am µC. Die Vorwiderstände wurden exakt berechnet, um eine möglichst große Helligkeit zu erzielen. Durch das Multiplexing ist jede Stelle nur die hälfte der Zeit eingeschaltet.

Der Spannungsteiler für den NTC wurde so dimensioniert, dass bei -25°C gerade die interne Referenzspannung von 2,56V am ADC-Pin anliegen. Damit ist für einen erneuten Umbau zur Gefriertruhe genügend Raum. Bei 40°C ergibt sich mit den im Schaltplan angegebenen Werten eine Spannung von etwa 0,26V. Die Kennlinie ist stark nichtlinear und muss softwaremäßig linearisiert werden.

Das Poti zur Einstellung des Sollwerts wird ebenfalls über einen Spannungsteiler an einem ADC-Pin durch den µC ausgelesen. Es stellte sich heraus, dass im Einstellungsmodus beim Blinken des Displays der ADC-Wert durch den wechselnden Stromverbrauch stark schwankt. Dazu wäre im Schaltplan ein Kondensator am Aref-Pin sowie eine Glättung der Potispannung durch einen Tiefpass notwendig gewesen.

Firmware

Die Firmware wurde dazu in C geschrieben. Aufgrund des geringen Programmspeichers des ATtiny26 von 4KB musste auf floating-point-Berechnungen verzichtet werden. Aus diesem Grund wird die aktuelle Temperatur in der Einheit 0,1°C abgespeichert, um die hohe Auflösung für die Regelung nicht zu verlieren. Der gemessene NTC-Widerstand muss durch eine stückweise lineare Kurve in die Temperatur umgerechnet werden. Die dazu notwenigen Widerstandswerte wurden für Schritte von 5°C in einem Array gespeichert. Für die aktuelle Temperatur wird einfach der Mittelwert der beiden Sensoren berechnet.

Ändert sich der Wert des Potis zur Sollwerteinstellung, so beginnt die Anzeige zu blinken und zeigt die eingestellte Temperatur. Bleibt der Wert konstant, wechselt der µC nach 3 Sekunden wieder in den normalen Modus und zeigt die aktuelle Temperatur an.

Da der Kompressor entweder AN oder AUS ist und die Leistung nicht kontinuierlich geregelt werden kann, muss die Zweipunktregelung verwendet werden. Im Prinzip wird bei Überschreiten der Solltemperatur der Kompressor eingeschaltet und beim Unterschreiten dementsprechend ausgeschaltet. Um schnelles Oszillieren zu vermeiden, muss eine Hysterese von etwa +-0,3°C einprogrammiert werden.

Der Kompressor darf nach dem Ausschalten erst nach etwa zwei Minuten wieder eingeschaltet werden, da gewartet werden muss, bis sich das Kühlmittel auf beiden Seiten des Kühlkreislaufes thermalisiert hat. Ansonsten kann es sein, dass der Kompressor nicht zuverlässig anspringt und Schaden nimmt. Der Timer des ATtiny26 wird dementsprechend programmiert, dass erst nach Ablaufen der Zeit der Kompressor wieder eingeschaltet werden kann.

tarPimpMyIceBox-Firmware v1.0 (ZIP, 43KB)

Fazit

Auf einfache Art und Weise wurde hier eine Tiefkühlbox in einen Kühlschrank umgebaut. Dieser kann optimal zum Bierbrauen (dazu gibt es noch ein Update!) oder einfach zum Einkühlen von fertigem Bier verwendet werden. Die einfache Regelung konnte bei einem ersten Funktionstest überprüft werden. Die Frage nach der Stabilität der Temperatur ist noch zu klären, besonders in den Sommermonaten ist dies interessant.

Fotos

Versorgungsplatine mit Trafo und Spannungsregelung. Der Schalttransistor zur Ansteuerung des Relais ist in SMD-Ausführung aufgelötet.
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Kühlrippen im Boden der Eistruhe mit herkömlichen 12V-Lüftern zur Luftumwälzung. Dadurch wird der Kühlbereich von oben mit kalter Luft überströmt und verhindert so, dass warme Luft in den Kühlbereich gelangen kann.
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Alter Thermostat, welcher hier zu Testzwecken durch einen Draht überbrückt wurde.
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Neue Versorgungsplatine mit Lastrelais, nicht ganz vorschriftsmäßig montiert.
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Steuerplatine mit µC, Anzeige und Poti zur Einstellung des Sollwerts.
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