Projekt 80: Advanced Discharge-Protection-Circuit

Autoren: Andreas Krüger und Christopher Hentschel
Betreuer: Daniel Klein

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Einleitung

Abbildung 1: Schaltung aus Multisim Praktikum

Im Rahmen des Elektrotechnik Fachpraktikums im Studiengang Business and Systems Engineering (2. Fachsemester) wurde uns die im folgenden Kapitel beschriebene Aufgabe übertragen.

Ergebnis des Projektes ist kurzgefasst, die erweiterte Unterspannungsschutzschaltung aus dem Multisim Praktikum. Dabei gilt es den Ruhe- sowie Nennstrom der Schaltung anzupassen, die Ausgangsspannung zu begrenzen und über eine Drucktaste und LED’s den Zustand der Entladung des Akkus darzustellen. Der Unterspannungsschutz ist eine im Carolo Cup Fahrzeug integrierte Schaltung, um dieses bei zu niedriger Spannung abzuschalten und somit den Akku vor einer Tiefenentladung zu schützen.

Durchgeführt wurde dieses Projekt in Zusammenarbeit von Christopher Hentschel und Andreas Krüger.

Stand der Technik

Stand der Technik ist die Schaltung aus dem Multisim Praktikum, sowie die bereits bestehende Unterspannungsschutzschaltung aus dem Carolo Cup Fahrzeug. Eine genaue Beschreibung davon ist dem Folgenden Wiki-Artikel zu entnehmen: PowerPanel

Aufgabe

Optimieren und erweitern Sie den Tiefenentlade-Schutz aus dem Multisim-Praktikum

Erwartungen an die Projektlösung

Abbildung 2: Aufgabenstellung

• Aufbauend auf der bekannten Schaltung aus dem Multisim-Praktikum erweitern Sie die Schaltung mit den folgenden Anforderungen:
  • Max. Ruhestromaufnahme der Schaltung, wenn Batterie getrennt wurde: 5µA (bei Vbat = 8V)
  • Max. Nennstromaufnahme der Schaltung, wenn Batterie angeschlossen ist: 10 mA (bei Vbat = 14V)
  • Begrenzung der Ausgangsspannung (Abschalttransienten) um Carolo-Verbraucher vor Überspannungsspitzen zu schützen (Vmax < 18V)
  • Mit einer Drucktaste soll einerseits der Zustand der Entladeschaltung über zwei LEDs angezeigt werden (nur während eingeschalteten Zustands der Taste: Grüne LED aktiv bei Vbat > 11V / Batterie ein; Rote LED aktiv bei VBAT < 9V / Batterie aus)
  • Andererseits soll die entladene Batterie nur durch Betätigung der Drucktaste wieder zugeschaltet werden (Vbat > 11V && Drucktaste betätigt)
• Erarbeiten Sie ein Pflichtenheft und erstellen Sie ein Funktionsblockschaltbild
• Erzeugen Sie ein Layout mithilfe von Multisim / Ultiboard
• Die Platine muss in das Carolo-CUP-Fahrzeug integrierbar sein (inkl. Gehäuse)
• Weisen Sie die Erfüllung jeder Anforderung rechnerisch und mit einem entsprechenden Test nach
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Hinweise:

• Beachten Sie die Vorarbeiten und die bestehende Schaltung
• Die Platine muss inkl. aller Funktionen die jetzige Platine ersetzen

Projekt

Zu Beginn des Projektes ist festgelegt worden, welche Schritte zu unternehmen sind (siehe Abbildung 3), um das Projekt bis zum 18.01.2019 abzuschließen. Auf Grundlage dieser definierten Schritte ist im Anschluss, wie in Abbildung 1 zu sehen, ein Projektzeitplan konzipiert worden, mit welchem festgelegt wird, zu welchem Zeitpunkt das Projekt welchen Schritt abgeschlossen haben sollte. Somit lässt sich feststellen, auf welche Zeitpuffer zurückgegriffen werden kann und wie viel Zeit für mögliche Nacharbeiten und Auswertungen bleibt. Um dem Projekt eine Struktur zu geben, ist daraus ein Ablaufplan erstellt worden, der die einzelnen Schritte, das angedachte Startdatum, das voraussichtliche Enddatum und die daraus resultierende Dauer in Tagen aufzeigt.

Projektplan

Abbildung 3: Actionplan

Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Tätigkeiten innerhalb des Projektes, die zeitliche Abfolge der einzelnen Tätigkeiten, sowie die Dauer der einzelnen Schritte in Form einer Tabelle. Einige Tätigkeiten laufen parallel ab. Zur Veranschaulichung dieser Informationen wurde mittels Excel ein Gantt-Diagramm erstellt, welches auf diesen Daten basiert.

Projektdurchführung

Abbildung 4: GANTT-Diagramm

Ergebnis

Pflichtenheft

Anforderungen	Umsetzung
Ruhestrom
Max. Ruhestromaufnahme der Schaltung, wenn Batterie getrennt wurde: 5μA (bei Vbat = 8V) Andererseits soll die entladene Batterie nur durch Betätigung der Drucktaste wieder zugeschaltet werden (Vbat > 11V & Drucktaste betätigt)	Alternative 1: Vor den Unterspannungsschutz wird ein MOSfet inklusive Taster geschaltet. In Ursprungsform fließt kein Strom. Nach Betätigung des Tasters fließt Strom zum Unterspannungsschutz. Dieser leitet den Strom über PSU_IGN und einer LED zurück zum MOSfet. Wenn der Strom fließt leuchtet die LED grün bis der Unterspannungsschutz die Schaltung abschaltet. Alternative 2: Es könnten zur Erreichung des Ruhestroms Bauteile mit einem entsprechend niedrigen Ruhestrom verbaut werden. Diese lassen sich rechnerisch nachweisen. Sobald die Platine aufgebaut ist, wird dieser mittels Multimeter nachgewiesen. Alternative 3: MOSfet Schaltung an den Ausgang des IC’s zur Rückkopplung.
Nennstrom
Max. Nennstromaufnahme der Schaltung, wenn Batterie angeschlossen ist: 10mA (bei Vbat = 14V)	Der Nennstrom wird durch die Simulation der Schaltung in Multisim nachgewiesen. Sobald die Platine aufgebaut ist, wird dieser mittels Multimeter nachgewiesen
Begrenzung der Ausgangsspannung
Begrenzung der Ausgangsspannung (Abschalttransienten) um Carolo-Verbraucher vor Überspannungsspitzen zu schützen (Vmax < 18V)	Um das Fahrzeug vor Überspannungsspitzen zu schützen wird ein Kondensator parallel zur Spannungsquelle geschaltet. Mit einer Kapazität von 100nF ist dieser ausreichend dimensioniert.
Drucktaste/ LED
Mit einer Drucktaste soll einerseits der Zustand der Entladeschaltung über zwei LEDs angezeigt werden (nur während eingeschalteten Zustands der Taste: Grüne LED aktiv bei Vbat > 11V / Batterie ein; Rote LED aktiv bei Vbat < 9V / Batterie aus)	Die aktuelle Version des Carolo Cup Fahrzeugs beinhaltet schon die Akkustandsanzeige per LED-Bars. Dieses Konzept wird in die Ausarbeitung integriert.
Integrierbarkeit
Die Platine muss in das Carolo-CUP-Fahrzeug integrierbar sein (inkl. Gehäuse)	Durch Absprache mit dem Carolo-CUP-Team haben wir die folgenden Maße für die Platine ermittelt: Gesamthöhe: 70mm Gesamtbreite: 156mm Höhe PCB: 65mm Höhe PCB: 80mm Vertikale Abstand Bohrung: 40,99mm Horizontaler Abstand Bohrung: 70,87mm Abstand LED Bars: 19,95mm Linker Abstand Bohrung LED: 20,88mm Rechter Abstand Bohrung LED: 8,1mm PC LED: Links Motor LED: Rechts Stromversorgung: 80mil
Ersetzbarkeit
Die Platine muss inkl. Aller Funktionen die jetzige Platine ersetzen	Absprache mit dem Carolo-CUP-Team zur Ermittlung und Erhaltung aller bereits vorhanden Funktionen der Platine.

Literatur

• Leonard Sting: Aktive elektronische Bauelemente. Springer Vieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-14387-9 (e-Book).
• Joachim Federau: Operationsverstärker. Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-2146-1 (e-Book).

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