12V-Pumpensteuerung mit Zeitverzögerung ohne Schwimmer

Vorein 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 irgendwas unter 200µA, im Ruhezustand. Da ich alles mit Batteriebetrieb vorgesehen habe (10x AA 1.5V) sollte das ganz gut passen. Da es eine Analogschaltung ist, können die 200µA mit dem Wasserstand steigen (auch eine Erkenntnis die zulernen war, dass sich der Widerstand zwischen den Drähten langsam verringert, bis sie endlich überbrückt sind).

1.Grundarchitektur und Spannungsversorgung

Die gesamte Schaltung wird mit einer Betriebsspannung zwischen 9,4 Vund 12 V betrieben. Ein LDO-Regler (LM2936Z5.0) liefert eine stabilisierte Spannung von ~5,05 V, die für bestimmte Schaltungsteile verwendet wird. Die Schaltung hat zwei Hauptfunktionen: die Hauptsteuerung mit kurzer Abfallverzögerung und einen separaten, langen Wiedereinschalt-Timer.

2.Wasserdetektion und Haupttransistor T1

Dieser Block bildet das Herzstück der Steuerung und ist für die Erkennung der Wasserbrücke verantwortlich.

• Ein Draht der Wasserbrücke ist mit der Betriebsspannung verbunden.
• Der andere Draht ist an die Kathode einer MBR1150 Schottky-Diode angeschlossen. Die Anode dieser Diode liegt an Masse (Schutz vor Überspannung).
• Von diesem Verbindungspunkt führt ein 100 kΩ Widerstand zur Basis des Transistors T1.
• Ein 500 kΩ Widerstand zieht die Basis von T1 gegen Masse, was die Eingangsempfindlichkeit verringert und für lange Messkabel von Vorteil ist.
• Ein 0,33µF Kondensator (C1) ist parallel zu dieser Eingangsschaltung geschaltet, um das Signal zu glätten und zu stabilisieren.
• Der Kollektor von T1 ist über einen 2,2 kΩ Widerstand mit der Betriebsspannung verbunden.
• Der Emitter von T1 ist als Ausgang (Emitterfolger) der Steuerung für die nachfolgende Darlington-Stufe.

3.Darlington-Stufe und Relais-Ansteuerung

Dieser Block schaltet das Relais und die Pumpe. Die Steuerung erfolgt über eine Kaskade von Transistoren.

• Der Emitter von T1 ist mit einem Knotenpunkt verbunden. Von diesem Knotenpunkt führt ein 4,7 kΩ Widerstand (R31) und eine 1N4148-Diode zur Basis von T2.
• Ein 22kΩ Widerstand liegt von diesem Knotenpunkt an Masse.
• Die Darlington-Stufe besteht aus den Transistoren T2 und T3 (BC547B).
• Der Emitter von T2 ist mit der Basis von T3 verbunden.
• Die Kollektoren von T2 und T3 sind miteinander verbunden und schalten die Relaisspule.
• Der Emitter von T3 ist an Masse.
• Das Relais hat eine Spule mit einem internen Widerstand von 710 Ω.
• Die Relaisspule ist zwischen dem gemeinsamen Kollektor und der Betriebsspannung angeschlossen. Eine Freilaufdiode ist parallel zur Spule geschaltet.

4.Abfallverzögerung (Kurzzeit-Timer)

Dieser Mechanismus verhindert ein Relais-Schalten in kurzen Abständen, indem er es für einige Zeit angezogen lässt (bis ca. 2.5 Minuten einstellbar).

• Der LDO (LM2936Z5.0) lädt über einen Kontakt des Relais einen 100µF Elko (C2) auf 5,05 V.
• Sobald die Wasserbrücke unterbrochen wird, fällt das Relais ab, der Öffner-Kontakt schließt, und C2 beginnt sich über einen 1 MΩ Trimmer (R5) und weitere Widerstände zu entladen.
• Diese Entladung hält die Darlington-Stufe für eine einstellbare Zeit von ~4 Sekunden bis 2 Minuten und 40 Sekunden aktiv, wodurch die Pumpe weiterläuft.

5.Wiedereinschaltverzögerung (Langzeit-Timer)

Dieser Block ist eine separate Schaltung, die das gesamte System nach dem Abpumpen für eine lange Zeit sperrt. Die habe ich zum Schluss nachgerüstet

• Ladeschaltung:
  
  • Ein Kontakt des Relais ist mit einer Ladeschaltung verbunden, hier ist auch die 12V-Pumpe angeschlossen.
  • Diese Ladeschaltung besteht aus einer 1N4148-Diode und einem 220Ω Widerstand, die den Pluspol eines Kondensators mit der Betriebsspannung an der Pumpe verbinden.
  
  
• Kondensator und Timer-Widerstand:
  
  • Der Kondensator hat eine Kapazität von 220µF bis 470µF (genauen Wert müsste ich in der Schaltung nachsehen, ist aber zweitrangig).
  • Der Pluspol des Kondensators ist über einen 1 MΩ Widerstand mit der Basis einer einfachen Darlington-Stufe verbunden.
  
  
• Blockierungsmechanismus:
  
  • Die Ladung des 220µF Kondensators hält die einfache Darlington-Stufe aktiv.
  • Diese Darlington-Stufe zieht die Basis von T1 gegen Masse, was T1 sperrt und die Wasserdetektion deaktiviert.
  • Die Zeit, bis sich der Kondensator so weit entladen hat, dass die Stufe abschaltet, beträgt ca. 20 Minuten.

Hauptfunktion:Abpumpen

Die erste Hauptfunktion ist die Wasserdetektion und Pumpensteuerung. Sobald eine Wasserbrücke zwischen den Messkabeln geschlossen wird, erkennt der TransistorT1 dies. Das von T1 verstärkte Signal aktiviert eine Darlington-Stufe, die das Relais anzieht. Das Relais schaltet die Pumpe ein, um das Wasser abzupumpen.
Diese Schaltung enthält auch eine kurze Abfallverzögerung. Ein Kondensator (C2) wird geladen, und wenn die Wasserbrücke kurzzeitig unterbrochen wird (z. B. durch eine Welle), entlädt sich dieser Kondensator langsam. Das hält das Relais für einige Sekunden bis Minuten aktiv und verhindert, dass die Pumpe bei kurzen Signalunterbrechungen ständig ein- und ausschaltet.
Zusatzfunktion: Wiedereinschaltverzögerung

Die zweite Funktion ist der Langzeit-Timer, der das System nach dem Abpumpen blockiert.

• Laden: Während die Pumpe läuft, wird ein zweiter, großer Kondensator (vermutlich 220µF) geladen.
• Sperren: Wenn die Pumpe schließlich abgeschaltet wird, beginnt dieser Kondensator, sich zu entladen. Seine Ladung hält eine weitere Darlington-Stufe aktiv. Diese Darlington-Stufe zieht die Basis von Transistor T1 gegen Masse und sperrt damit die gesamte Wasserdetektion.
• Warten: Diese Sperrung dauert solange, bis der Kondensator fast vollständig entladen ist, was je nach Bauteilwerten etwa 20 bis 30 Minuten dauert.

Dadurch wird verhindert, dass die Pumpe sofort wieder startet, wenn die Messkontakte nach dem Abpumpen noch leicht feucht sind, obwohl das Wasser schon abgepumpt ist. Die Schaltung wartet, bis alles vollständig abgetrocknet ist / ein möglichst hoher Widerstand zwischen den Drähten zur Detektion erreicht ist (am besten open loop), und erst dann kann das System wieder auf eine neue Wasserbrücke reagieren.


Zusammengefasst sorgt das Systemdafür, dass die Pumpe nur bei Bedarf läuft, Störungen ignoriert und eine notwendige Pause einhält, um Fehlfunktionen zu vermeiden.


LDO-Spannungsregler

Ich verwende einen LDO um die Zeitkonstante zu verlängern und konstant zu halten. Ursprünglich war die Zeitverzögerung von der Betriebsspannung und T1 abhängig, was zu wesentlich kürzeren Zeiten führte. Also beschloss ich die Spannung am Kondensator auf eine bekannte Größe anzuheben, die dann zu deutlich längerer Entladezeit führt und zudem zur deutlichen Verkleinerung des Kondensators.


Freundliche Grüße
Moppi