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 Erweiterung der Unterspannungsschutzschaltung aus dem Multisim Praktikum (Siehe Abbildung 1). 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 dieser 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

Projektplan

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 3 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.

Abbildung 3: Actionplan

Abbildung 3 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.

Abbildung 4: GANTT-Diagramm

Projektdurchführung

Pflichtenheft

Wie sich dem zuvor aufgeführten Gantt-Diagramm entnehmen lässt, ist zu Beginn des Projektes eine Anforderungsanalyse durchgeführt worden, um eine dem Projekt entsprechende BOM erstellen zu können. Erforderliches Wissen für die Durchführung des Projektes ist durch die im Fach „Angewandte Elektrotechnik“ vorgesehenen Praktikums Versuche gesammelt worden. SO konnte das im Folgenden aufgeführte Pflichtenheft erstellt werden. Das Pflichtenheft führt die in der Aufgabenstellung genannten Anforderungen auf und stellt diesen Forderungen Lösungsvorschläge gegenüber, welche im Laufe des Projektes konsequent umgesetzt werden.

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: Zur Erreichung des Ruhestroms werden Bauteile mit einem entsprechend niedrigen Ruhestrom verbaut. 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 sowie einem entsprechenden Excel-Berechnungstool 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.

Bezüglich der Anforderung des Ruhestroms ist sich für Alternative 2 entschieden worden.
Alternative 1 ist ausgeschlossen worden, weil der OpAmp in einen undefinierten Zustand kommen kann und schlimmstenfalls alles oszillieren könnte. Sobald die Gatekapazität eines MOSFETs geladen ist, fließt nur noch ein Kriechstrom, der wird voraussichtlich nicht ausreichen, um eine LED zum leuchten zu bringen.

Simulation

In der in Abbildung 5 aufgeführten Multisim Simultaion der Unterspannungsschutzschaltung sind die Punkte aus dem zuvor aufgeführten Pflichtenheft konsequent umgesetzt worden, sodass die bekannte Schaltung des Carolo Cups entsprechend der Aufgabenstellung erweitert worden ist.

Abbildung 5: Multisim Simulation Unterspannungsschutz Schaltung

Grundidee ist den Operationsverstärker inklusive aller Spannungsteiler zur Masse wegzuschalten, wenn die Unterspannungsgrenze erreicht wird, damit möglichst wenig Verbraucher an der VBat-Leitung angeschlossen sind. Dies geschieht über den Q1 Transistor und die Q3 MOSFET Schaltung, mit einer kleinen Verzögerung (hauptsächlich eingestellt über den 47k Serienwiderstand am OP_OUT Ausgang und C1). Diese Verzögerung wird aus Stabilitätsgründen im Umschaltmoment benötigt. Der Operationsverstärker darf sich nicht zu früh abschalten, erst muss das PSU_IGN-Signal sicher abgeschaltet sein.
Damit der Operationsverstärker stets eine gesicherte Referenz sieht und somit kein undefinierter Zustand eintritt, wenn sich der Operationsverstärker über die Q3-Stufe das Licht ausknippst, muss die Referenz ständig an VBat hängen, d.h. das Bauteil ist die Key-Komponente zum Erreichen der 5µ-Anforderung.

Um die Schaltung wieder zu aktivieren, wird mittels eines Schalters (S2) die Batteriespannung auf die Transistorstufe gegeben. Ist die Batteriespannung hoch genug, würde die Operationsverstärker-Schaltung die PSU_IGN wieder aktivieren, wenn nicht, bleibt alles aus und nach lösen des Tasters schaltet sich alles wieder selbstständig ab. Die beiden Signale von dem Operationsverstärker und dem Schalter müssen verodert werden, dies geschieht über die beiden Dioden D2 und D3, d.h. die Q3-Schaltung wird aktiviert wenn der Operationsverstärker oder der Schalter logisch high sind.

Die Anforderung aus der Aufgabenstellung bezüglich der LED’s ist vernachlässigt worden, da in der aktuellen Schaltung des Carolo Cups bereits entsprechende LED-Bars vorgesehen sind.

Ergebnis

Eagle Schaltplan - Unterspannungsschutz

Da die Unterspannungsschutzschaltung des Carolo Cups mittels Eagle erzeugt worden ist und mit der neuen Platine alle bereits vorhandenen Funktionen erhalten bleiben sollen, wird die zuvor in Multisim simulierte Schaltung wie in Abbildung 6 dargestellt als Schaltplan in Eagle überführt. Dabei wird in die bereits vorhandene PowerPanel Schaltung des Carolo Cups der angepasste Unterspannungsschutz Teil integriert und der bisherige entfernt.

Abbildung 6: Eagle Unterspannungsschutz Schaltplan Version 12.01.2019

Die hier dargestellte Schaltung beinhaltet die tatsächlichen Bauteile, welche im nächsten Schritt auf der Platine verbaut werden.

Eagle Platinenlayout - Unterspannungsschutz

Um auf Grundlage der zuvor aufgeführten Schaltung eine Platine zu fräsen, ist daraus ein Platinenlayout erzeugt worden. Dieses wird in Abbildung 7 aufgeführt.

Abbildung 7: Eagle Unterspannungsschutz Platinenlayout Version 10.01.2019

Aus dem hier aufgeführten Platinenlayout sind im Folgenden Gerber-Files erzeugt worden, mit welchen dann die tatsächliche Platine gefräst worden ist.

Aufgebaute Unterspannungsschutzplatine

Letztendlich wird die Platinen wie in Abbildung 8 aufgeführt mit den aus der Stückliste zu entnehmenden Bauteilen zusammengebaut.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Probleme:
Später Projektstart
Zu gering geplanter Zeitaufwand (Einarbeitungszeit) -> Multisim -> Eagle -> Elektrotechnik Themen (Bauteile usw.)
Wartezeiten in die Projektplanung vernachlässigt (Bauteile nachbestellen, Platine fräsen lassen)
Platinenlayout Kompatiblität (mit vorhandenen Schaltungsteilen des Carolo Cups)
Platinenlayout vor dem eigentlichen fräsen der Platine ausdrucken und die Bauteile "durchstechen", um Mögliche fehlerhafte Footprints der verbauten Bauteile ausschließen zu können
Vieraufgenprinzip -> Unbeteiligte über Ergebnisse gucken lassen
Schaltplan vor Prototypenbau auf Lochrasterplatine testen um Mögliche Fehler aufzudecken

Projektunterlagen

Bill of Material (BOM)

Anzahl	Komponente	Wert	Hersteller
1	Widerstand	10 kOhm	Vishay
1	Widerstand	400 Ohm	Vishay
1	Widerstand	22 kOhm	TE
3	Widerstand	47 kOhm	Vishay
1	Widerstand	1 kOhm
2	Widerstand	100 Ohm	Vishay
1	Widerstand	100 kOhm	Vishay
1	Schaltung	LT6660KCDC-5#TRMPBF	ADI
2	Mosfet	3LP01S-TL-E	ON Semiconductor
1	Transistor	NPN Standard
1	Operationsverstärker	TL071ACP	Texas Instrument
2	Kondensator	4,7 nF
2	Diode	Standard
1	Taster	Standard
5	Kondensator	100 nF

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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