Ansteuerung elektrischer Vakuum-Ventile
Erneut zum Spottpreis habe ich diese drei elektromagnetischen Ventile von Leybold-Heraeus erworben. Sie sind schon relativ alt, die beiden Inline-Ventile tragen die Aufschrift 28211 B3, das Eckventil 28201 B3. Alle drei besitzen das gleiche Ansteuergerät vom Typ 591 81 224.
Als erstes habe ich die Ventile zerlegt, gereinigt, neu gefettet und sie an das Vakuum der Drehschieberpumpe angeschlossen. Sehr erfreulich: alle drei sind dicht.
Die Freude über das Schnäppchen war schnell gewichen, denn alle drei Ansteuergeräte sind mehr oder weniger hinüber. Das Erste hat einen Kurschluss, das Zweite tut schlichtweg garnichts und das Dritte wird im Laufe der Zeit sehr heiß, wie diese improvisierte Messung zeigt (in einem anderen Test erreichte sie über 95 °C, dann habe ich abgeschaltet):
Immerhin taugt das eine Gerät, um zu zeigen, dass alle drei Ventile noch funktionieren: Sie schalten sauber, wenn man sie daran anschließt und bestromt. Nur werden sie nunmal alle sehr heiß. Mein Plan war daher zunächst mal zu verstehen, wie die Ansteuerung der Ventile abläuft. Hier ein paar Oszillogramme des Betriebs:
Das zunächst rätselhafte Signal wird ein wenig durch die Aufschrift auf dem Ansteuergerät entschlüsselt: dort ist zu lesen: 100%ED 70ms. Das Einschaltverhalten ist damit geklärt: zu Beginn werden 70 ms lang einfach gleichgerichtete Netzspannung auf das Ventil gelegt. Danach geht die Elektronik in einen geregelten Betrieb über. Hier gibt die Aufschrift weniger Aufschluss, es ist lediglich zu lesen "J 0,82A / Jmax 6,0A". Da ich 2 komplett kaputte Ansteuergeräte hatte, dachte ich, ich zerlege eins, um zu sehen, wie es verschaltet ist. Nach gewaltsamem Aufbrechen des Gehäuses kam allerdings zum Vorschein, dass die Elektronik in einen dicken Klumpen Epoxidharz vergossen war. Aber das hat mich dann doch nicht abgeschreckt; zunächst habe ich etwas Material runtergebrochen und den Klotz dann eine Nacht (auf der Terasse!) in Aceton eingelegt. Der Erfolg war mäßig; eine äußere Schicht wurde weich und ließ sich mühselig runterschaben. Iterativ habe ich dann im Laufe einer Woche immer mehr der Elektronik freigelegt:
Das große, metallische Bauteil im Vintage-Package erwies sich, wenig überraschend, als Thyristor. Dazu findet sich notwendigerweise ein Snubber und eine Drossel zur Strom- und Spannungsanstiegsbegrenzung, da der Thyristor sonst unkontrolliert zünden würde. Unten rechts ein diskreter Brückengleichrichter im Leistungszweig. Dazu ein paar Leistungswiderstände, vermutlich zur Strommessung. Zudem findet sich im unteren Bereich ein kapazitives Netzteil. Darüber hinaus lässt sich die Schaltung ohne viel Aufwand wenig analysieren, insbesondere, da die Beschriftung des ICs dem Aceton zum Opfer gefallen ist.
Dennoch wird nach dieser Analyse ein Stück weit klar, wie die Schaltung arbeitet: Zunächst schaltet sie 70 ms den Thyristor durch und lässt die gleichgerichtete Spannung an das Ventil. Nachdem das Ventil durchgeschaltet ist, benötigt es einen Haltestrom (vermutlich die abgelesenen 0,82 A). Dieser wird gemessen und durch den Phasenanschnitt ausgeregelt.
Das Phasenanschnitts-Steuerungsboard
Nachdem nun klar war, welche Funktionalität notwendig ist, habe ich einen eigenen Ansatz gewagt:
- Ein 240V/3A Solid-State-Relay(SSR) vom Typ CPC1966YX6.
- Dazu die oben schon erwähnten Snubber und Drossel sowie einen Varistor zur Überspanungsbegrenzung.
- Einen 0.3 Ohm / 10W Shunt zur Strommessung.
- Ein klassisches Netzteil aus Drossel, Gleichrichter, Kondensator und Linearregler zur Versorgung eines Mikrocontrollers.
- Den von meinem Minsam-Board bekannten ATSAMD20E18, von dem auch der interne ADC verwendet wird.
- Einen galvanisch getrennten Steuerpin zum Schalten des Ventils.
Glücklicherweise funktionierte das Board (mit einer kleinen Modifikation) auf Anhieb. Das Schalten der Leistung läuft zuverlässig und der Controller nimmt korrekte Messwerte auf. Leider war meine erste Umsetzung nicht performant genug, da ich einige Fließkomma-Rechenschritte in der Bestimmung der Schaltposition hatte. Aktuell bin ich am Optimieren des Codes. Rückblickend war es dann doch zuviel des Geizes, dem Controller keinen Quarz spendiert zu haben und damit die verfügbare Rechenleistung stark eingeschränkt zu haben.