Gartenbrunnen

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Ausgangssituation

Meine Tante hat einen Gartenbrunnen, dessen solarbetriebene Pumpe ein etwas eigenwilliges Verhalten hat: Schaltet man sie unter Tags ein, funktioniert sie perfekt. Wenn eine Wolke vor die Sonne zieht, wird sie schwächer bis sie schließlich irgendwann ausgeht - wenn sich danach die Sonne wieder zeigt, läuft der Pumpe aber wieder.

Am nächsten Tag ist die Freude am plätschernden Wasser aber vorbei - die Pumpe verweigert vor einem kurzzeitigen Ausschalten den Dienst.

Der Hersteller kann sich das Phänomen nicht erklären. Ich stellte die Vermutung auf, dass das langsame Ansteigen der Versorgungsspannung den Brushlessmotor in eine ungünstige Stellung laufen lässt, aus der er nur noch durch einen Spannungspuls herauskommt.

Lösungssuche

Der Nachbar meiner Tante versuchte das Problem mit einem Elektrolytkondensator zu lösen - ohne Erfolg. Vermutlich lag es daran, dass die Pumpe bei steigener Spannung keine sprungartige Stromaufnahme zu verzeichnen hat, die der Kondensator kompensieren könnte.

Meine Idee war ein primitiver Schwellenwertschalter, der die Pumpe erst mit Strom versorgen soll, wenn die Solarzelle genug Spannung (und somit auch Strom) liefert.

Um den Punkt zu finden, wann die Pumpe zuverlässig einschaltet, klemmte ich mein Labornetzteil (ja, sowas habe ich im Urlaub dabei) an die Brunnenpumpe und drehte langsam die Spannung auf, bis etwas passierte. Bei etwa 13V sprudelte das Wasser langsam nach oben.

Lösungsversuch

Ok, ein primitiver Schwellenwertschalter. Der wahrscheinlich einfachste Weg dorthin ist ein Komparator mit Operationsverstärker. Da die Spannung der Solarzelle beim Einschalten der Pumpe mit Sicherheit einbricht, muss die Schaltung zusätzlich eine Hysterese (oder etwas ähnliches) aufweisen.

Zu meinem Pech konnte ich keine halbwegs einfache OP-Amp-Schaltung finden, die diese Anforderung erfüllt. Ich war auch schon kurz davor, das Problem mit einem kleinen Mikrocontroller zu erschlagen. Aber dieses mal sollte es etwas analoges sein!

Warum also nicht einen einfachen Transistor verwenden, der einfach etwas träge schaltet?

Also kurz LTspice angeworfen und nach gut Dünken gemalt:

Gartenbrunnen-ltspice.png

Herz der Geschichte ist die Z-Diode D1, die in der Simulation 10V abfallen lässt. Liegt an der Schaltung also etwa 10,7V an, fängt der Transistor Q1 damit an, den Widerstand R2 (großzügig primitiver Ersatz des Lastrelais) gegen Masse zu schalten. Verzögert wird der Vorgang durch den Kondensator C1, der zwar keine richtige Hysterese, dafür aber eine Verzögerung beim Ein- und Ausschalten des Relais erzeugt.

Zur Schaltungssimulation fährt die Spannungsquelle V1 innerhalb von 5s eine Rampe von 0 auf 18V hoch, hält diese 1s und lässt die Spannung innerhalb von 10 Sekunden wieder auf 0V fallen:

Gartenbrunnen-ltspice-sim.png

Hierbei ist V(n001) die Eingangsspannung und V(n002) die Spannung am Kollektor des Transistors.

Der Einschaltpunkt des Relais liegt hier bei 12,6V, der Ausschaltpunkt bei 8,8V. Mit einer 12V Z-Diode entsprechend etwa (!) 2V höher.

Der Stromlaufplan ist in EAGLE schnell gezeichnet und das Board gesetzt. Die längste Zeit braucht fast der Aufbau auf Lochraster:

Der Vorwiderstand für das Relais wurde empirisch ermittelt und lässt so viel Spannung abfallen, dass das 12V-Relais auch bei 18V Eingangsspannung noch nicht ins Schwitzen kommt.

Ergebnis

Um die Schaltung richtig zu testen stiefelte ich mitten in der Nacht in den Garten um die Schaltung zu installieren. Am nächsten morgen zeigte sich: nichts. Die Schaltung selbst funktionierte zwar wie gewünscht, erfüllte aber nicht ihren Zweck: die Pumpe zeigte sich gänzlich unbeeindruckt vom späteren Einschalten.

Woran es lag habe ich nicht weiter erforscht, da der Hersteller der Pumpe bereits einen kostenlosen Umtausch anbot, von dem meine Verwandten nach dem winterbedingten Abbau des Brunnens wohl eingehen werden.

Somit ist das Ergebnis schlichtweg die Erkenntnis, dass manchmal etwas einfach nicht will und man nicht jedes Problem technisch lösen muss ;-)

Download

Wer noch etwas mit LTspice oder den EAGLE-Dateien spielen will, ist herzlich eingeladen:

Datei:Gartenbrunnen.zip