Heizdraht-Projekt

[T.Baumbach (Gast)]

Hallo,

der ursprüngliche Thread war (aus Versehen) im falschen Forum, hier der 
Link:

Beitrag "Frage zum Widerstandsdraht"

ich schreibe jetzt hier weiter:


Meine jetzige Frage:

Hallo,

bin mit meinem Heizdraht-Projekt einwenig weitergekommen.
Die Länge der Heizzone ist recht klein. 15cm in der Länge und 0.8 cm in
der Breite (Alu-U-Profil, offene Seite nach oben, wo ich die
Kunststoffplatten auflege)
Habe einen Arduino Uno, zwei 4-stellige LED-7-Segment Anzeigen (für
Soll- und Istwert), einen Temperaturfühler (über MAX31855) und einen
Dreh-Enkoder am Laufen. Außerdem einen MOSFET (IRLIZ44N) zur Ansteuerung
des Heizdrahtes. Soweit so gut.
Als Heizdraht habe ich erstmal zwei Varianten zum Testen:

1. 5 Ohm pro Meter
2. 2.5 Ohm pro Meter

Davon habe ich jeweils 30 cm abgetrennt und in der Mitte als U gebogen,
so dass ich zwei Stücke á 15 cm Länge bekomme.
Die Heizrdähte habe ich in ein 15cm Alu U-Profil gepackt und mit der
Soudal-Calufer Keramikpaste an drei Stellen im U-Profil fixiert.

Mein erste Frage:

Kann / soll ich den Draht in das U-Profil komplett mit der Keramikpaste
einkleben? Oder ist es besser dies (wie ich es jetzt getan habe) links,
in der Mitte und rechts einwenig Paste aufzutragen, damit der Draht im
U-Profil hält?

Jetzt steht ja das Anschließen des Heizdrahtes an. Dazu verwende ich
einen MOSFET vom Typ IRLIZ44N und einen Pin des Arduino.

Jetzt stellen sich weitere Fragen:

- Nehme ich einen DigitalPin und schalte den Heizdraht darüber ein- und
aus? Habe da was über Zweipunktregelung gelesen, weiß aber nicht, wie
ich es hinbekomme, dass er sich auf eine Temperatur von ca. 200°C
einpendelt.

- Oder nehme ich da einen PWM-Pin und Regle die Leistung und darüber die
Temperatur?

Was meint ihr? Zweipunktregelung oder PWM und evtl. PID-Regler über die
PID-Library des Arduino?


Danke für jede Art von Hilfestellung...

[Lurchi (Gast)]

Wenn die offene Seite zum Kunststoff gehen soll, sollte der Draht ganz 
eingegossen sein, sonst hat man eine Mischung aus Wärmeleitung über das 
Profil und Wärmestrahlung direkt von Draht. Nur über Strahlung ginge 
ggf. auch noch, da hängt der Draht über 15 cm aber ggf. recht weit 
durch.

Von der Hardware würde ich schon einen IO-Pin für Hardware PWM nutzen. 
Auch denn kann man als normalen IO nutzen.

Ob der 2 Punktregler ausreicht, hängt davon ab, wie gut der Sensor 
platziert / gekoppelt ist. Normal sollte es ausreichen.

[T.Baumbach (Gast)]

Hallo,

danke @Lurchi.
Bin einwenig weitergemommen. Habe den Drehenkoder erstmal dafür genutzt, 
das Tastverhältnis der PWM einzustellen. So kann ich mich erstmal 
manuell an geeignete Werte für die PWM, den maximalen Strom, Temperatur 
usw. rantasten.
Auf der 7-Segment-Anzeige zeige ich den PWM-Wert an, den ich nach 
analogWrite übergebe. Am Oszilloskop habe ich mir zusätzlich das 
PWM-Signal meines IO-Pins vom Arduino angesehen. Einen Thermofühler habe 
ich im Abstand von ca. 1mm oberhalb des Widerstandsdrahtes angebracht er 
ist also in der Luft kurz über dem Draht.
Dann habe ich mein 12V Netzteil auf (erstmal) 3A begrenzt und mal die 
PWM auf 1 eingestellt. Auf dem Ossi war ein schmales Signal sichtbar, 
Frequenz um die 490Hz. Dann habe ich den PWM-Wert langsam erhöht und die 
Temperatur abgelesen. Maximal habe ich dann 12V / 5A eingestellt und die 
PWM auf 140 was 55% Leistung entspricht. Der Draht kam dabei auf eine 
Temperatur von 330°C.
Im Abstand von ca. 8mm oberhalb des U-förmigen Drahtes habe ich dann ein 
3mm starkes Plexiglasmaterial gelegt. Auf der Obefläche des 
Plastikstücks habe ich dann mit einer Thermometerpistole die 
Oberflächentemperatur gemessen.
Die stieg recht langsam an:

 30s  40°
 60s  60°
 90s  77°
120s  88°
150s  98°
180s 108°
210s 111°
240s 115°

So ab 110° wurde das Plastik recht gut biegbar.
Soweit hat der erste Versuch ganz gut geklappt, denke ich kann da weiter 
machen.
Ich habe da aber noch Fragen, wie ich das noch verbessern kann:

1. Sobald ich die PWM auf Werte größer Null einstelle fängt irgendetwas 
auf dem Arduino an zu Pfeifen.
Ich denke die Frequenz ist so um die 500Hz, was ja der PWM-Frequenz 
entspricht.
Woher kommt das? Wie kann ich meine Schaltung ändern, dass das nicht 
mehr pfeift?
(siehe Schaltbild)

2. Ich habe den Draht ja an beiden Enden und in der Mitte mit der 
Keramikpaste versehen. D.h. an den drei Stellen befindet sich ein ca. 1 
cm langes Stück Keramik, was aber noch im U-Profil beweglich ist.
Der Draht hat sich, je heißer er wurde verbogen. Zum Glück nicht soweit, 
dass die beiden Stränge des U-förmigen Drahtes sich berühren. Deshalb 
hier nochmal die Frage, ob ich den Draht komplett in Keramikpaste 
'eingießen' sollte?
Ich denke aber dass der Draht sich ja in der ausgehärteten Kermaik nicht 
mehr ausdehnen und bewegen kann?

3. Ich denke die Heizleistung meines einen Drahtes ist noch recht 
gering. Ich musste den Draht auf ca. 330°C aufheizen. Dann hat es immer 
noch ca. 4 Minuten gedauert, bis ich das Plastik biegen konnte.
Für den Dauereinsatz ist mir die Zeit aber zu lange. Ich denke alles 
unterhalb einer Minute oder besser unter 30 Sek. wäre akzeptabel.
Ich würde die Temperatur des Drahtes so um die 220° - 250° haben wollen, 
damit die Oberfläche des Plastik nicht verbrennt und keine Blasen wirft 
bevor der Kunststoff biegbar wird. Wie bekomme ich nun mehr Power in den 
Draht?

a: den Draht einmal (oder evtl mehrmals?) verdrillen damit der dicker 
wird und dann zum U biegen?

b: zwei einzelne U-förmige Drähte übereinander anordnen und parallel 
schalten?


Danke weiterhin für Eure Hilfe und Ideen...

[Armin X. (werweiswas)]

Naja, irgendwann wird die Oberfläche des Kunststoffes zu heiß während 
die Rückseite noch kalt ist.
Ich kann mich erinnern, dass das Aufheizen von "dicker" Folie in 
Tiefziehanlagen auch 2-3 Minuten gedauert hat damit sie komplett 
plastisch formbar war.
Ich weis nun nicht was für Draht Du verwendet, ich hab hier eine defekte 
Kochplatten aus einem Glaskeramikkochfeld bei dem die Heizung gebrochen 
ist. Diese besteht hier aus einem gewellten Band das bei 2000 
Heizleistung mit knapp 9A betrieben wurde.

[Christian M. (Gast)]

Hallo T.

ich weiss nicht, ob Dir das weiterhilft, aber ich wollte Dir kurz 
beschreiben, wie ich bei einer Firma Kunststoff gebogen habe:

Es waren zwei Drähte, einer unten, in einer Alu-U-Schiene gespannt, und 
einer obendrüber, knapp über die Oberfläche. Die Drähte waren über ca. 
einen Meter gespannt und mit einem Trafo gespeisst (gespiesen?). Ueber 
die el. Daten weiss ich leider nichts. über eine einstellbare Zeit, ca. 
3 min., wurde das Ganze genügend erwärmt, dass es gut gebogen werden 
konnte.

Gruss Chregu

[T.Baumbach (Gast)]

Hi Christian,

danke für Deine Antwort. Ja so ähnlich mache ich das ja jetzt auch. Nur 
ohne den oberen Draht. Meine Kunststoffplatten sind maximal 2mm stark. 
Ich denke daher, dass ich einen zusätzlichen Draht oberhalb nicht 
brauchen werde.
Meine ersten Test sind ja durchaus erfolgreich aber eben noch nicht 
optimal.
Größtes Problem im Moment ist den als U gebogenen Heizdraht in dem Alu 
U-Profil sicher zu lagern. Ich wollte den komplett in die Keramikpaste 
eingießen, aber da er sich beim Erhitzen ja ausdehnt denke ich das wird 
nichts, da der Draht sich in der ausgehärteten Kermaikpaste nicht mehr 
ausdehnen kann. Ich versuche deshalb zwei etwas dickere Drähte erstmal 
in die Paste einzulegen. Dann, wen die Paste einwenig angetrocknet ist 
(aber noch nicht komplett hart) dann wollte ich die Drähte rausziehen 
und hoffen dass zwei Kanäle mit der Dicke der Drähte in der Keramik 
verbleiben, wo ich nach dem kompletten aushärten meinen U-förmigen 
Heizdraht einlegen kann.
Mal sehen, ob ich das am Wochenende irgendwie hinbekomme.

Das Pfeifen der PWM werde ich über einen 'langsame PWM' lösen. Ich 
programmiere mir eine PWM-Funktion mit millis() die mit ca. 1 Hz 
arbeitet.
Da dürfte dann nichts mehr Pfeifen ;-)

[T.Baumbach (Gast)]

Hallo,

da das bewegliche Einlegen des Heizdrahtes in die Keramik nicht so 
einfach ist, überlege ich, ob ich mir aus der Keramikpaste eine Art 
Rundstab mache, indem ich die Paste in eine Gußform (3D gedruckt) packe 
und dann aushärten lasse.
Dann würde ich den Heizdraht auf diesen Keramik-Rundstab aufwickeln so 
dass eine Heizspirale entsteht.
Die Heizspirale hätte auch den Vorteil, dass ich mehr 'Drahtmasse' habe 
so dass ich evtl. mit 220° Drahttemperatur mein Kunststoff aufheizen 
kann und nicht 330° nehmen muss wie das mit meinem U-Draht jetzt der 
Fall ist.

Jetzt weiß ich aber nicht, ob und wie ich meine Schaltung (siehe 
Abbildung in meinem 2. Beitrag hier) anpassen muss.
Meine 'langsame' PWM arbeitet mit einer Frequenz von ca. 1 Hz.

Frage:
Muss ich dann parallel zur Heizspirale eine Freilaufdiode einbauen da 
ich mir ja jetzt eine 'Spule' gewickelt habe?
Wenn ja welche Diode kann ich da nehmen? Ich hätte da noch welche vom 
Typ 1N4001 da.

Danke nochmals...

[Sascha W. (sascha-w)]

Hallo,

eine Freilaufdiode wirst du nicht brauchen, da die Ind. dieser Luftspule 
viel zu klein ist als das da einen nennenswerte Induktionsspannung 
entstehen würde.

Noch mal zu den Geräuchen:
Versorgst du den Ard. aus der selben 12V Quelle? Wenn ja ist das kein 
Wunder wenn du auch noch die Strombegrenzung am NT reinhaust dann 
schwanken die 12V und irgend ein Kondi oder Spule (wenn auf dem A. 
verbaut) gibt dann Laut.

Sascha

[T.Baumbach (Gast)]

Hi Sascha,

OK die Freilaufdiode brauche ich also nicht - danke!

Bzgl. der Geräusche. Im Moment wird der Arduino vom USB-Port versorgt 
und der Mosfet und der Heizdraht über mein Netzteil.
In der fertigen Schaltung soll alles dann über mein Netzteil oder evtl. 
über ein altes PC Netzteil (12V / 450W) versorgt werden.
Muss ich da noch was beachten?

Danke...

[Norbert S. (norberts)]

Moin,

Ich denke Deine Keramikpaste ist nicht der richtige Weg.
Wir hatten früher in der Firma (professioneller Modellbau) so eine 
Biegevorrichtung.
Da war der relativ dicke Heizdraht (1,5-2mm, 1m lang) mit Federkraft 
gespannt.
Das Ganze war in einem Alu-U das in einer Platte eingelassen war, das 
U-Profil hatte etwa 15mm Breite innen.
Ich glaube der Draht war am Ende in Messingklötzen eingespannt (der eine 
im U gleitend und mit Feder gespannt) aber das würde ich heute anders 
machen.
Ich würde das Innere einer Lüsterklemme nehmen, um damit vom Heizdraht 
auf Edelstahldraht zu gehen. Das leitet Wärme sehr schlecht und nach ein 
paar cm kann man mit normalen Materialien weitermachen.

Der Heizdraht glühte übrigens schön rot. Also deutlich mehr als Deine 
330°C, eher so 600°C. Der Abstand zur Platte war etwa 6-8mm.
Und wie gesagt, der Draht war nicht gerade dünn.

Damit konnte man auch locker 6mm Plexi biegen. Man muß nur regelmässig 
wenden. Das dauerte dann auch im Bereich von Minuten aber das liegt 
prinzipbedingt am Kunststoff, der leitet die Wärme im Material einfach 
langsam.

Widerstandsdraht (Konstantan & Co.) ist übrigens genau falsch für sowas. 
Der soll einen möglichst konstanten Widerstand haben.
Nimmt man z.B. Stahl, regelt sich das mehr oder weniger selbst denn wenn 
der Draht warm wird, steigt der Widerstand. Temperaturregelung im 
gewissen Rahmen für Umme.
Durch den geringeren Widerstand (ca. 0,15Ohm*mm²/m) braucht man 
allerdings viel Strom bei relativ wenig Spannung.
Ich habe mal eben probiert, 0,5mm Federstahl 1m, ca. 5V 3A (mehr gibt 
mein Netzteil nicht her). Das reicht nichtmal um damit Styropor zu 
schneiden, also kaum über 100°C. Ich schätze zum Biegen müsste man eher 
so 100-200W/m reinstecken. Das passt aus der Erinnerung heraus auch zu 
dem Netzteil von dem Gerät damals.

Die PWM kannst Du getrost auf unter 1Hz runterdrehen, der Draht ist ja 
träge. Ev. so weit runter, daß man das noch mit nem Multimeter messen 
kann.
Also 0,3 Hz oder so.

Wenn ich jetzt sowas bauen würde, würde ich das wohl mit einem Akku 
befeuern. 3s 2200mAh Lipo, damit kann man dann auch die nötigen 10-20A 
durch den Draht jagen.

So'n Ding könnte ich mir eigentlich auch mal bauen...

Gruß,
Norbert