SENSOREN/AKTOREN

Raspberry Pi - Heizelement

Diese Anleitung zeigt Ihnen, wie Sie mit einem Raspberry Pi ein Heizelement steuern. Zusätzlich werden wir dieses Wissen nutzen, um in einer nachfolgenden Anleitung ein Heizsystem zu erstellen.

Sie können das Heizelement über ein Relais oder über ein MOSFET-Modul ansteuern. Das Relais kennt nur zwei Zustände: Heizen EIN oder Heizen AUS. Das MOSFET-Modul bietet diese beiden Zustände ebenfalls, und es lässt Sie außerdem die Heizstufe einstellen, von leicht warm bis volle Leistung. Es schaltet lautlos und verschleißt nicht, auch wenn es sehr oft schaltet. Diese Anleitung zeigt Ihnen beide Methoden.

Erforderliche Hardware

1	×	Raspberry Pi 5
1	×	Relay (Relais)
1	×	(Alternativ) MOSFET Module (AOD4184, LR7843 or FR120N)
1	×	Heating Element (Heizelement)
1	×	12V Power Adapter (12V Netzteil)
1	×	DC Power Jack (DC-Strombuchse)
1	×	Jumper Wires (Überbrückungsdrähte)
1	×	(Empfohlen) Schraubklemmenblock-Shield für Raspberry Pi
1	×	(Empfohlen) Raspberry Pi Prototyping-Grundplatte & Breadboard-Kit

Oder Sie können die folgenden Kits kaufen:

DIYables Sensor-Kit (18 Sensoren/Displays)

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Über das Heizelement

Heizelement-Anschlüsse

Das Heizelement hat normalerweise zwei Anschlüsse:

Der Positive (+) Anschluss (rot) sollte mit dem 12V einer DC-Stromversorgung verbunden werden
Der Negative (-) Anschluss (schwarz) sollte mit dem GND einer DC-Stromversorgung verbunden werden

Wie man ein Heizelement mit Raspberry Pi steuert

Wenn ein 12V-Heizelement mit 12V Spannung versorgt wird, erzeugt es Wärme. Um das Heizelement zu verwalten, muss ein Relais zwischen dem Raspberry Pi und dem Heizelement verwendet werden. Der Raspberry Pi kann dann das Heizelement über das Relais steuern.

Falls Sie nicht mit Relais vertraut sind (Anschlüsse, Funktionsweise, Programmierung, etc.), finden Sie weitere Informationen in der Raspberry Pi - Relay Anleitung.

Für die Pinbelegung und das Innere des MOSFET-Moduls lesen Sie zuerst das Tutorial Raspberry Pi - MOSFET-Modul.

Relais vs. MOSFET-Modul für ein Heizelement

	Relais	MOSFET-Modul
Wärmesteuerung	volle Wärme oder keine Wärme	volle Wärme, keine Wärme oder jede Stufe dazwischen (PWM)
Geräusch	klickt beim Schalten	völlig leise
Verschleiß	die Kontakte verschleißen, schneller bei häufigem Schalten	nichts bewegt sich, häufiges Schalten ist kein Problem
Geschwindigkeit	langsam, Millisekunden	sehr schnell
Heizungstyp	AC- oder DC-Heizelement	nur DC-Heizelement
Stromversorgung	jede Spannung innerhalb der Relais-Nennwerte	etwa 6V oder höher
Isolation	ja, Spule und Kontakte sind getrennt	ja, durch einen PC817 Optokoppler
Verwenden für	AC-Heizelemente und einfaches EIN/AUS-Heizen	12V DC-Heizelemente, Steuerung der Heizstufe, ein Thermostat, der sehr oft schaltet

Ein Heizsystem schaltet das Heizelement oft immer wieder EIN und AUS, um eine Temperatur zu halten. Für ein 12V DC-Heizelement kommt das MOSFET-Modul damit besser zurecht, denn es verschleißt nie und kann das Heizelement auch mit Teilleistung betreiben. Für ein Netz-Heizelement (AC) ist von den beiden nur das Relais möglich.

Schaltbild

Dieses Bild wurde mit Fritzing erstellt. Klicken Sie, um das Bild zu vergrößern.

Raspberry Pi Code

Der untenstehende Code schaltet das Heizelement alle fünf Sekunden EIN und alle fünf Sekunden AUS.

Schnelle Schritte

Stellen Sie sicher, dass Sie Raspbian oder ein anderes Raspberry Pi-kompatibles Betriebssystem auf Ihrem Pi installiert haben.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Raspberry Pi mit dem gleichen lokalen Netzwerk wie Ihr PC verbunden ist.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Raspberry Pi mit dem Internet verbunden ist, falls Sie einige Bibliotheken installieren müssen.
Wenn Sie zum ersten Mal einen Raspberry Pi verwenden, lesen Sie wie man den Raspberry Pi einrichtet
Verbinden Sie Ihren PC über SSH mit dem Raspberry Pi, indem Sie den eingebauten SSH-Client unter Linux und macOS oder PuTTY unter Windows verwenden. Siehe wie Sie Ihren PC über SSH mit dem Raspberry Pi verbinden.
Stellen Sie sicher, dass die RPi.GPIO Bibliothek installiert ist. Falls nicht, installieren Sie sie mit folgendem Befehl:

sudo apt-get update sudo apt-get install python3-rpi.gpio

Erstellen Sie eine Python-Skriptdatei heating_element.py und fügen Sie den folgenden Code hinzu:

# Dieser Raspberry Pi Code wurde von newbiely.de entwickelt # Dieser Raspberry Pi Code wird der Öffentlichkeit ohne jegliche Einschränkung zur Verfügung gestellt. # Für vollständige Anleitungen und Schaltpläne besuchen Sie bitte: # https://newbiely.de/tutorials/raspberry-pi/raspberry-pi-heating-element import RPi.GPIO as GPIO import time # Set the GPIO mode (BCM or BOARD) GPIO.setmode(GPIO.BCM) # Define the GPIO pin controls the heating element via the relay module RELAY_PIN = 12 # Set the relay pin as an output pin GPIO.setup(RELAY_PIN, GPIO.OUT) try: # Run the loop function indefinitely while True: # Turn the relay ON (HIGH) to turn on the heating element GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.HIGH) time.sleep(5) # Wait for 5 seconds # Turn the relay OFF (LOW) to turn off the heating element GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.LOW) time.sleep(5) # Wait for 5 seconds except KeyboardInterrupt: # If the user presses Ctrl+C, clean up the GPIO configuration GPIO.cleanup()

Speichern Sie die Datei und führen Sie das Python-Skript aus, indem Sie den folgenden Befehl im Terminal ausführen:

python3 heating_element.py

Überprüfen Sie die Temperatur des Heizelements.

Seien Sie vorsichtig. Es kann Ihnen und Ihrem Zuhause Schaden zufügen. Dies ist eine ernste Angelegenheit, und wir möchten, dass Sie sicher sind. Wenn Sie sich nicht absolut sicher sind, was Sie tun, tun Sie sich selbst einen Gefallen und machen Sie nichts. Suchen Sie Hilfe von jemandem, der sich auskennt! Wir sind nicht verantwortlich für Ihre Sicherheit.

Das Skript läuft in einer Endlosschleife kontinuierlich, bis Sie Strg + C im Terminal drücken.

Code-Erklärung

Schauen Sie sich die zeilenweise Erklärung in den Kommentaren des Quellcodes an!

Raspberry Pi Code - Heizelement mit dem MOSFET-Modul steuern

In diesem Teil ersetzt das MOSFET-Modul das Relais. Mit PWM entscheidet der Raspberry Pi, wie viel Leistung das Heizelement bekommt, sodass es ein wenig oder stark heizen kann.

Schaltschema

Dieses Bild wurde mit Fritzing erstellt. Klicken Sie, um das Bild zu vergrößern.

Um Ihren Verdrahtungsaufbau zu vereinfachen und zu organisieren, empfehlen wir die Verwendung eines Schraubklemmenblock-Shields für Raspberry Pi. Dieses Shield gewährleistet sicherere und besser verwaltbare Verbindungen, wie unten gezeigt:

Von	Nach
Raspberry Pi GPIO16 (Pin 36)	PWM-Pin des MOSFET-Moduls
Raspberry Pi GND (Pin 34)	GND-Pin des MOSFET-Moduls
Plus des 12V-Netzteils	+ Schraubklemme des MOSFET-Moduls
Rotes Kabel (+) des Heizelements	+ Schraubklemme des MOSFET-Moduls (geteilt mit dem Netzteil)
Schwarzes Kabel (−) des Heizelements	LOAD-Schraubklemme des MOSFET-Moduls
Minus des 12V-Netzteils	− Schraubklemme des MOSFET-Moduls

Ein Heizelement hat keine Spule, daher brauchen Sie hier keine Freilaufdiode.

Kurzanleitung

Richten Sie den Raspberry Pi, die SSH-Verbindung und die RPi.GPIO Bibliothek genauso ein wie in der Kurzanleitung des Relais oben.
Verbinden Sie alles wie im Schaltschema gezeigt, lassen Sie das 12V-Netzteil aber vorerst ausgesteckt.
Erstellen Sie eine Python-Skriptdatei MosfetModule.py und fügen Sie den folgenden Code hinzu:

# Dieser Raspberry Pi Code wurde von newbiely.de entwickelt # Dieser Raspberry Pi Code wird der Öffentlichkeit ohne jegliche Einschränkung zur Verfügung gestellt. # Für vollständige Anleitungen und Schaltpläne besuchen Sie bitte: # https://newbiely.de/tutorials/raspberry-pi/raspberry-pi-heating-element import RPi.GPIO as GPIO import time MOSFET_PIN = 16 # GPIO16 (pin 36) connected to the PWM pin of the MOSFET module GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(MOSFET_PIN, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(MOSFET_PIN, 500) # 500 Hz PWM, slow enough for the module's optocoupler pwm.start(0) # start with the load OFF def set_load(percent): pwm.ChangeDutyCycle(percent) print("Load power: {}%".format(percent)) try: while True: # turn the load fully ON, then fully OFF print("Load: ON") set_load(100) time.sleep(2) print("Load: OFF") set_load(0) time.sleep(2) # increase the power step by step (PWM) for percent in range(10, 101, 10): set_load(percent) time.sleep(0.5) # decrease the power step by step (PWM) for percent in range(90, -1, -10): set_load(percent) time.sleep(0.5) time.sleep(1) except KeyboardInterrupt: pass finally: pwm.stop() GPIO.cleanup()

Stecken Sie das 12V-Netzteil ein und starten Sie das Skript:

python3 MosfetModule.py

Das Skript gibt dem Heizelement 2 Sekunden lang volle Leistung und 2 Sekunden lang keine Leistung. Danach steigt die Leistung von 10% auf 100% und geht wieder auf 0% zurück. Ein Heizelement wird langsam warm und kühlt langsam ab, daher spüren Sie nicht jeden Schritt. Lassen Sie es eine Weile laufen, und Sie werden merken, dass es bei hoher Leistung wärmer ist als bei niedriger Leistung.
Das Terminal zeigt die Leistungsstufe bei jedem Schritt:

PuTTY - Raspberry Pi

Load: ON Load power: 100% Load: OFF Load power: 0% Load power: 10% Load power: 20% Load power: 30% Load power: 40% Load power: 50% Load power: 60% Load power: 70% Load power: 80% Load power: 90% Load power: 100% Load power: 90% Load power: 80% Load power: 70% Load power: 60% Load power: 50% Load power: 40% Load power: 30% Load power: 20% Load power: 10% Load power: 0%

Tipp: Das MOSFET-Modul schaltet nur DC-Lasten und braucht eine Lastversorgung von etwa 6V oder mehr. Wenn Ihr Heizelement mit AC läuft, verwenden Sie die Relais-Methode.

Video Tutorial

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