Projekt 28: Grill-Prototyp

Regelbaustein

Um die Regelung eines Holzpelletgrills zu ermöglichen, wurde die Aufgabe gestellt, einen vorhanden Regelbaustein zu miniaturisieren. Dieser soll in der Lage sein, die verschiedenen Aktuatoren des Holzpelletgrills anzusteuern, sowie Sensoren auszulesen. Außerdem soll eine Ein- und Ausgabe realisiert werden. Als Vorbild gilt hier der vorhandene Regelbaustein, der als erster Prototyp relativ fehleranfällig ist. Das Ziel dieses Projekts ist es also, die vorhandenen Schaltungen zu optimieren, diese als Platine zu entwickeln und herzustellen, und das System in einem geeigneten Gehäuse unterzubringen. Zudem ist die Kooperation mit dem Projekt Grill-App ein Bestandteil des Projekts

Die Ausgangssituation

Prototyp des Regelbausteins

Der Regelbaustein, der als erster Prototyp fungiert, wurde provisorisch aufgebaut. Die Spannungsversorgung wurde durch ein externes Schaltnetzteil realisiert. Die elektronischen Bauteile wurden auf Lochrasterplatinen eingelötet und teilweise durch Kabel verbunden. Durch eine Relaisschaltung ist dieser Regelbaustein in der Lage, den Glühstab und den Pelletschneckenmotor anzusteuern. Außerdem ist es möglich, den Lüfter des Grills über ein Arduino-Motorshield zu regeln. Das Auslesen des Raumtemperatursensors, sowie des Kerntemperatursensors erfolgt über eine Brückenschaltung. Die Ausgabe wird über ein vierfaches Siebensegmentdisplay gelöst, die Eingabe über ein Tastenfeld mit vier Drucktaster.

Diese Lösung stellte sich als fehleranfällig heraus, sodass für den neuen Baustein Platinen entworfen und gefertigt werden müssen. Der Schaltplan konnte jedoch übernommen werden, da alle gewünschten Funktionen bereits realisiert sind.

Entwicklung der Netzteilschaltung

Schaltbild des Netzteils

Um den neuen Regelbaustein mit Spannung und Strom zu versorgen, muss eine Netzteilschaltung entwickelt werden. Das Netzteil soll eine stabilisierte Gleichspannung von $U=12V$ und einen maximale Stromstärke von $I=1,5A$ liefern.

Die Netzspannung wird zunächst mit einem Transformator umgewandelt. Der gewählte 2x9V Transformator wird in Reihe geschaltet, sodass seine Ausgangsspannung $U = 18V AC$ beträgt. Die Spannung wird nun durch einen Brückengleichrichter B80C1500 gleichgerichtet, sodass sich eine Ausgangsspannung von $U_{eff}=25.5 V$ ergibt. Diese Spannung muss mindestens 3V(besser mehr) höher liegen, als die Ausgangsspannung des Netzteils, da der verwendete Festspannungsregler LM7812 ansonsten keine stabilie Spannung liefern kann.

Da zwischen den gleichgerichteten Halbwellen die Spannung abfällt, muss der Spannungsverlauf geglättet werden. Dafür verwendet man jeweils einen Elko-Kondensator vor und hinter dem Festspannungsregler in Parallelschaltung. Die Dimensionierung des Elko-Kondensators nach dem Festspannungsregler erfolgt nach folgender Regel:

$C=I \cdot {\Delta{}t \over \Delta{}U}$ .

Die Größe $\Delta{}t$ steht für die vergangene Zeit zwischen zwei Halbwellen, die Größe $\Delta{}U$ für die Spannungsänderung, mit der der Festspannungsregler noch eine Ausgangsspannung stabilisieren kann. Bei der Dimensionierung gilt jedoch die Regel "je größer, desto stabiler", sodass man den Elko-Kondensator nach Belieben höher dimensionieren kann, als errechnet.

Der Elko-Kondensator vor dem Festspannungsregler sollte im Verhältnis 1/10 zum Kondensator hinter dem Festspannungsregler gewählt werden.

Erstellen des Schaltplans mit NI Multisim

Schaltung erstellt mit Multisim

Der vorliegende Schaltplan des Bausteins muss zuerst in Multisim realisiert werden, um anschließend mit Ultiboard ein Platinenlayout zu erstellen. Um eine gute Entstörung zu erreichen, wurde die Entscheidung getroffen, die Schaltung auf zwei Platinen aufzuteilen. Da es Sinn macht, Netzspannungsbauteile räumlich von den Niederspannungsbauteilen zu trennen, wird eine Platine mit der Netzteilschaltung und den Netzspannungsrelais, die andere mit dem Microcontroller Arduino Mega 2560 und den Auswertschaltungen zu bestücken.

Diese Aufteilung muss schon im Schaltplan in Multisim eingerichtet werden. Hierzu muss für jede Platine ein eigenes Projekt angelegt werden. Da beide Platinen mit einem Platinenstecker verbunden werden, müssen diese bereits im Schaltplan angelegt werden. Auch alle anderen Steckverbinder, die notwendig sind, um Sensoren, Aktuatoren und Netzspannung zu verbinden, müssen bereits in Multisim eingefügt werden. Um die vorhandenen Steckverbinder möglichst funktionell nachzustellen, macht es Sinn, diese Bauteile neu zu erstellen. Zudem sollten alle Anschlusspins eines Bauteils schon in Multisim angelegt werden, auch wenn diverse Pins nicht genutzt werden. Nur so kann ein passender Footprint erstellt werden, wo auch alle Anschlusspins angelegt werden können.

Eine aussagekräftige Beschriftung aller Bauteile und Anschlusspins vereinfacht die Arbeit mit Multisim, sowie die Übertragung in Ultiboard. Wenn der Schaltplan überprüft wurde, kann er in Ultiboard übertragen werden.

Platinenlayout mit NI Ultiboard

Platinenlayout mit Ultiboard

Wenn der Schaltplan von Multisim in Ultiboard übertragen wurde, werden alle Bauteile zuerst neben der Leiterplatte eingefügt. Gelde Verbindungslinien zeigen die Verbindung der verschiedenen Anschlusspins der Bauteile untereinander an. Eigens erstellte Bauteile besitzen noch keinen Footprint, dieser muss erst durch den Benutzer erstellt und einem Bauteil zugeordnet werden. Dazu muss im Datenbankmanager ein vorhandener Footprint kopiert und anschließend bearbeitet werden. Dabei ist zu beachten, dass die Lötaugen eine Mindeststärke von 1,0 mm bei einer Bohrung von 0,5mm haben sollte. Auch die Standard-Footprints, die in der Datenbank hinterlegt sind, sollten dementsprechend bearbeitet werden.

Wenn alle Bauteile mit den korrekten Footprints eingefügt sind, muss die Position auf der Leiterplatte bestimmt werden. Es macht Sinn, mit großen Bauteilen mit vielen Pins zu beginnen und die kleineren Bauteile so einzufügen, dass die Verbindungen möglichst einfach und nicht "über Kreuz" verlegt werden. Falls dieses nicht möglich ist, müssen sogenannte Durchkontaktierungen verwendet werden. Diese verbinden beide Platinenseiten "Copper Top" und "Copper Buttom".

Als Leiterbahndicke empfiehlt sich im Netzspannungsbereich 1,5 mm, im Niederspannungsbereich 1,0 mm. Es ist zudem darauf zu achten, die Leiterbahnen im Netzspannungsbereich mit möglichst viel Abstand zueinander zu verlegen.

gefertigte Platine

Um Leiterbahnen zu sparen, macht es Sinn, eine Kupferlage zu erstellen und diese mit dem Massekontakt zu verbinden. Dadurch werden alle Leiterbahnen für die Masseverbindungen der Bauteile eingespart und direkt über die Kupferfläche verbunden. Es ist aber trotzdem darauf zu achten, dass die Massefläche keine Engstellen besitzt, da sonst Potentiale auf der Platine entstehen, welche die korrekte Funktion der Schaltung beeinflussen können. Sollten Engstellen unvermeidbar sein, sollten diese mit einer Durchkontaktierung über die Rückseite der Platine überbrückt werden.

Um zu überprüfen, ob alle Bauteile richtig eingefügt wurden und ob alle Footprints passen, kann die Platine in Originalgröße auf Papier ausgedruckt werden, sodass der Ausdruck probeweise mit Bauteilen bestückt werden kann.

Wenn alle Verbindungen und Footprints korrekt sind, können aus dem Programm Gerber-Dateien generiert werden, welche dann entsprechend am Fräsbohrplotter gefertigt werden können.

In den meisten Fällen, ist die erste gefertigte Platine noch fehlerhaft. Die Fehler können bei der ersten Bestückung entdeckt werden und sollten dann im Layout ausgebessert werden. Das fertigen einer zweiten Platine ist dann in den meisten Fällen unumgänglich.

Projektablauf

Zu Beginn des Projekts rückte zuerst die Beschaffung der Bauteile in den Fokus. Da das Projekt privat in Auftrag gegeben wurde, wurde auch die Beschaffung der Bauteile privat organisiert. Anschließend wurde mit der Entwicklung der Netzteilschaltung fortgefahren. Nach Eintreffen der Bauteile konnte diese Schaltung getestet werden. Parallel wurde die vorhandene Schaltung in Multisim übertragen. Nach einer Einarbeitungsphase gelang es, beide Schaltpläne aufzubauen. Als nächster Schritt stand die Übertragung in Ultiboard an, was im ersten Versuch noch einige Herausforderungen, wie fehlerhafte Footprints und falschen Pinbelegungen, mit sich brachte. Diese Aufgaben wurden anschließend allmählich gelöst, denn auch die Einarbeitungsphase in Ultiboard darf nicht unterschätzt werden. Nach einigen Rücksprachen mit einem wissenschaftlichen Mitarbeiter der Hochschule wurden die ersten Platinen gefertigt.

Auf die anschließende Bestückung folgte ein Funktionstest, bei dem sich noch Fehler im Layout bemerkbar machten. Demnach war es erforderlich, die Fehler im Layout auszubessern und die Platinen erneut fertigen zu lassen. Eine erneute Bestückung der neuen Platinen mit anschließendem Funktionstest zeigte, dass die Schaltung einwandfrei funktioniert.

Letztendlich folgte die Einbindung der Grill-App Funktion. Nach einigen Anlaufschwierigkeiten war auch diese Funktion realisiert, sodass das Projekt erfolgreich präsentiert werden konnte.