Ratgeber
Temperaturregler-Bausätze eignen sich für Anwendungen, die eine Temperaturregelung im Heiz- oder Kühlbetrieb erfordern. Sie bestehen im Regelfall aus einer Leiterplatte und diversen Bauteilen zum Bestücken, angefangen bei Temperatursensoren bis hin zu Leuchtdioden zur Anzeige des Schaltzustands. Auf welche Komponenten es ankommt und worauf bei der Auswahl von Temperaturregler-Bausätzen zu achten ist, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Temperaturregler kommen überall dort zum Einsatz, wo eine Temperaturüberwachung für den Betrieb elektronischer Geräte und Anlagen erforderlich ist. Das Anwendungsspektrum ist dementsprechend breit gefächert. So sind Temperaturregler in der Heiz- und Klimatechnik weit verbreitet und beispielsweise in Fußbodenheizungen, Klimaanlagen und Lüftungen verbaut. Darüber hinaus helfen sie dabei, die Betriebstemperatur innerhalb von elektrischen Geräten, Maschinen und Motoren zu kontrollieren. Auch zur Steuerung industrieller Prozesse finden sie Verwendung.
Temperaturregler-Bausätze ermöglichen es, elektronische Anwendungen um die Funktion einer Temperaturüberwachung zu erweitern. Sie enthalten Komponenten, die zur Steuerung und Regelung der Temperatur notwendig sind – angefangen bei Temperaturfühlern über Transistoren und Kondensatoren bis hin zu Relais, LED-Anzeigen und integrierten Schaltungen (ICs). Die einzelnen Komponenten werden gemäß einem Bestückungsplan auf eine Leiterplatte aufgebracht, was in vielen Fällen Fertigkeiten im Löten voraussetzt. Die bestückte Platine wird dann als ganzes Modul in die Anwendung eingesetzt.
Ein Temperaturregler dient dazu, eine Ist-Temperatur mit einer vorab definierten Soll-Temperatur abzugleichen und – sofern die Werte voneinander abweichen – den Ist-Wert an den Soll-Wert anzupassen. Zu diesem Zweck sendet er ein entsprechendes Ausgangssignal an ein Relais, an das ein Aktor wie eine Pumpe oder ein Heizungsventil angeschlossen ist. Um einen Ist-Wert ermitteln zu können, wird am Eingang des Reglers ein Temperaturfühler angebracht, der die Temperatur misst. Temperaturfühler gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Am gebräuchlichsten sind Widerstandsfühler bzw. Thermistoren und Thermoelemente. Thermoelemente bestehen aus zwei verschiedenen metallischen Leitern, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Bei einem Temperaturunterschied zwischen beiden Leitern entsteht eine Spannung, die temperaturabhängig ist und in einen exakten Wert umgerechnet werden kann. Dem zugrunde liegt der sogenannte Seebeck-Effekt: Kommen zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen in Kontakt und herrscht an der Kontaktstelle eine Temperaturdifferenz, bildet sich ein Elektronenfluss, der ein elektrisches Potential erzeugt, das als Spannung messbar ist. Abhängig von den verwendeten Materialien werden verschiedene Typen von Thermoelementen unterschieden, die jeweils spezifische Eigenschaften mit sich bringen. Generell sind Thermoelemente in einem großen Temperaturbereich einsetzbar. Da sie preiswert in der Anschaffung sind und ohne Batterien arbeiten, werden sie vielfältig in der Industrie genutzt.
Im Gegensatz zu Thermoelementen, die eine Spannungsmessung durchführen, arbeiten Widerstandstemperatursensoren, auch RTDs (Resistance Temperature Detectors) genannt, auf Basis einer Widerstandsmessung. Sie machen sich den Umstand zunutze, dass Metalle ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, woraus sich wiederum ein exakter Ist-Wert berechnen lässt. Bei reinen Metallen ändert sich der Widerstand stärker als bei Legierungen und er steigt mit zunehmender Temperatur annähernd linear. Häufig Verwendung finden RTDs aus Platin (Pt), da das Metall zusätzlich eine hohe Korrosionsbeständigkeit mitbringt. Am gebräuchlichsten sind Pt100- und Pt1000-Sensoren, die sich im Hinblick auf ihren Nennwiderstand unterscheiden. Bei Pt100-Sensoren beträgt der Widerstand 100 Ω bei einer Temperatur von 0 °C, bei Pt1000-Sensoren sind es 1000 Ω bei 0 °C. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass mit RTDs genauere Temperaturmessungen möglich sind als mit Thermoelementen. Sie bleiben lange stabil und sind ebenfalls in hohen Temperaturbereichen einsetzbar, wodurch sie sich gut für industrielle Anwendungen eignen.
Alternativ zu Metallen können Halbleitermaterialien als Messwiderstände in Temperatursensoren verwendet werden. Solche Ausführungen werden auch als Thermistoren bezeichnet. Sie reagieren schon bei kleinen Temperaturdifferenzen mit großen Widerstandsänderungen, so dass sie selbst geringe Abweichungen präzise erfassen. Allerdings verlaufen sie nur begrenzt linear zur Temperatur, daher sind zuverlässige Messungen nur in einem eingeschränkten Bereich möglich. Unterschieden werden NTC- und PTC-Thermistoren. PTCs (= Positive Temperature Coefficients) sind Kaltleiter, was bedeutet, dass ihr Widerstand in kaltem Zustand gering ist und mit zunehmender Temperatur steigt.
Umgekehrt verhält es sich bei NTCs (= Negative Temperature Coefficients). Hierbei handelt es sich um Heißleiter, das heißt, ihr Widerstand ist im kalten Zustand hoch und nimmt mit steigender Temperatur ab.
Neben Thermoelementen, Thermistoren und RTDs gibt es noch Infrarotsensoren, die als Temperaturfühler verwendet werden können. Sie sind in der Lage, thermische Energie in elektrische Signale umzuwandeln und ermöglichen eine berührungslose Temperaturmessung. Dementsprechend eignen sie sich gut für Anwendungen, in denen kein Kontakt zum Messobjekt hergestellt werden kann, etwa weil es in ständiger Bewegung ist (Förderband, bewegliches Maschinenteil) oder sich in einer gefährlichen Umgebung (Hochspannung) befindet.
Temperaturregler können in drei Grundtypen unterschieden werden: Zweipunktregler, Dreipunktregler und PID-Regler. Zweipunktregler kennen nur die beiden Ausgangssignale "Ein" und "Aus". Wird beispielsweise bei einer Heizung die Soll-Temperatur überschritten, sendet ein Zweipunktregler das Signal "Aus", so dass die Heizung abschaltet. Wird die Soll-Temperatur unterschritten, sendet er das Signal "Ein", um die Heizung einzuschalten. Diese On-Off-Regler stellen die einfachste Form von Temperaturreglern dar und sind daher sehr kostengünstig. Problematisch daran ist jedoch, dass die zu regelnde Temperatur permanent um den Soll-Wert schwingt, was fachsprachlich als Hysterese bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt: Ein Zweipunktregler kennt nur "ganz oder gar nicht". In der Folge wird der angeschlossene Aktor ständig ein- und ausgeschaltet, was dessen Verschleiß begünstigt.
Dreipunktregler kennen immerhin drei Ausgangssignale: "Ein", "An" und "Nicht". Dadurch wird das permanente Hin- und Herschalten verhindert, allerdings sind auch Dreipunktregler nicht in der Lage, einen Soll-Wert dauerhaft zu halten. Anders sieht es bei PID-Reglern aus. Sie vereinen die Vorteile von Proportional- (P), Integral- (I) und Differenzialreglern (D) und schalten nicht bloß ein und aus, sondern können den Soll-Wert exakt herbeiführen und dauerhaft halten. Durch eine Nachstellzeit (Anteile vom I-Regler) und eine Vorhaltezeit (Anteile vom D-Regler) können unerwünschte Änderungen im Regelverhalten kompensiert werden. PID-Regler bieten von allen Reglertypen die höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
Beim Kauf eines Temperaturregler-Bausatzes sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Hersteller geben üblicherweise an, für welche Anwendungen ihre Produkte geeignet sind. Ein Temperaturregler-Bausatz sollte unter keinen Umständen zweckentfremdet werden, da alle Komponenten auf eine spezifische Aufgabe ausgerichtet sind. Werden sie anderweitig und nicht unter den richtigen Bedingungen verwendet, können sie selbst Schaden nehmen oder Schäden an angeschlossenen Verbrauchern verursachen. Nichtsdestoweniger gibt es dedizierte Universalregler, die sehr vielseitig eingesetzt werden können.
Generell sind Regler von einfachen Temperaturschaltern zu unterscheiden. Letztere dienen dazu, die maximale Temperatur eines Systems zu begrenzen. Sie werden nur aktiv, wenn der Soll-Wert überschritten wird, indem sie einen Stromkreis öffnen oder schließen. Wenn der Soll-Wert unterschritten wird, kehren sie wieder in ihre Ausgangslage zurück. Sie arbeiten demzufolge passiver, führen keine echte Regelung durch und dienen eher dem Überhitzungsschutz. Regler werden dagegen eingesetzt, um die Temperatur im System aktiv anzupassen und aufrechtzuerhalten. In dem Zusammenhang ist zu überlegen, welcher Reglertyp und welche Art von Temperatursensor für den Einsatzzweck am besten geeignet sind. PID-Regler stellen die Königsklasse unter den Reglern dar und eignen sich gut für Aufgaben, in denen es auf Präzision ankommt. Bei manchen Modellen lässt sich das Regelverhalten sogar einstellen, so dass ein breites Anwendungsspektrum abgedeckt wird. Für einfache Aufgaben können Zweipunkt- und Dreipunktregler ausreichend sein.
Was die Sensoren betrifft, so sind PTCs und NTCs in der Lage, sehr kleine Temperaturabweichungen zu erfassen. Das wiederum ermöglicht eine hohe Auflösung des Temperaturbereichs. Aufgrund ihres nur bedingt linearen Verlaufs ist der Anwendungsbereich eingeschränkt, zum direkten Schalten von Relais oder als Temperaturfühler in Heizungen sind sie jedoch gut geeignet. Für industrielle Steuerungen sind Platin-RTDs die bessere Wahl. Sie arbeiten sehr zuverlässig und können in weiten Temperaturbereichen verwendet werden. So sind beispielsweise Pt100-Sensoren in einem Bereich von -100 und 400°C einsetzbar. Thermoelemente sind ebenfalls für große Temperaturbereiche ausgelegt und finden sich daher beispielsweise auch in Kesselanlagen und Härteöfen der Metallbearbeitung. Generell gehört der Temperaturbereich zu den wichtigsten Spezifikationen bei der Auswahl eines Temperaturregler-Bausatzes. Ebenso sind elektrische Parameter zu berücksichtigen, etwa die Ausgangsleistung, der Ausgangsstrom und die zulässige Betriebsspannung.
Lötfehler zählen zu den häufigsten Ursachen dafür, dass Temperaturregler von Bausätzen nicht richtig funktionieren oder Komponenten Schaden nehmen. Kalte Lötstellen, erkennbar an ihrer matten, stumpfen Optik, und Lötbrücken gilt es unbedingt zu vermeiden. Ebenfalls ist darauf zu achten, das richtige Lötzinn zu verwenden. Generell ist ein sorgfältiges Vorgehen beim Zusammenstellen eines Temperaturregler-Bausatzes Pflicht. Dazu zählt auch, sich streng an den Bestückungsplan zu halten und Bauteile wie vorgeschrieben einzusetzen. Es kann schnell passieren, dass sich ein Anschlussdraht verbiegt oder Drahtreste, die beim Kürzen entstanden sind, nicht richtig entfernt werden und sich noch auf der Platine befinden. All das kann zu einer eingeschränkten Funktionalität und Defekten führen.
Die LED meines Bausatzes leuchtet nicht. Was tun?
In dem Fall ist zu prüfen, ob die LED richtig gepolt eingelötet ist. LEDs verfügen über eine Anode (Pluspol, oft kleiner und mit längerem Draht) und eine Kathode (Minuspol, oft größer und mit kürzerem Draht). Sie leuchten nur, wenn sie mit der korrekten Polung auf die Platine gelötet werden. In welche Richtung das zu erfolgen hat, ist dem Bestückungsplan zu entnehmen.
Was für Werkzeug benötigt man zum Bestücken von Platinen?
Für das Bestücken von Platinen benötigt man zuerst einmal eine hochwertige Lötausstattung mit Lötkolben, guten Lötspitzen und geeignetem Lötzinn. Zudem liegt man mit einem dedizierten Elektronik- und Platinenwerkzeug-Set nicht verkehrt, das speziell für solche Aufgaben entwickelt ist und Hilfsmittel wie Seitenschneider, Pinzetten, Feilen, Messer, Pinsel, Haken, Kratzer, Gabeln und Spitzen enthält. Damit können beispielsweise Drähte gekürzt oder kleine Lötfehler ausgeglichen werden.
Was unterscheidet einen Temperaturregler von einem Thermostat?
Ein Thermostat fungiert als Proportionalregler und ist damit ein spezifischer Typ von Temperaturregler. Es handelt sich dabei um ein komplexes Modul, das aus Fühler, Regler, Stellglied und Sollwerteinheit besteht. Im Grunde genommen ist die Bezeichnung Temperaturregler als Oberbegriff zu verstehen, der neben Thermostaten bzw. Proportionalreglern noch eine ganze Reihe weiterer Reglertypen umfasst.