Powerpanel-Platine

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung einer neuen Powerpanel-Platine für das autonome Auto. Das Fahrzeug besitzt drei Akkus, zwei um den PC mit Strom zu versorgen und einen dritten für die Antriebe des Fahrzeugs. Bei der Entwicklung der neuen Platine, orientiert man sich an der alten Platine. Diese bietet drei Grundfunktionen: Unterspannungsschutz, Umschaltung von Akku- auf Netzbetrieb sowie die Anzeige des Akkustands. Beim alten Schaltungsdesigne sind einige Fehler aufgefallen, die nun durch eine neue Schaltung behoben werden sollen.

Anforderungen

Im Lastenheft des Projektes autonomes Auto wird die Energieversorgung mit Akkus gefordert:

Für das Pflichtenheft wurden folgende Anforderungen erstellt:

Aufbau der aktuellen Platine

Entwicklung des Unterspannungsschutzes

Der Unterspannungsschutz soll die Spannungsversorgung für den PC ab einer Spannung von 14,9 V einschalten und soll beim Unterschreiten von 12,6 V den PC wieder vom Akku trennen. Dafür wurde bisher eine Komparator-Schaltung mit Hysterese genutzt, die einen MOSFET schaltet. Die Hysterese wurde hier über einem Widerstand in der Rückführung eingestellt, was allerdings ein unabhängiges Einstellen der Schaltpunkte nicht zulässt.

Das erste Ziel der neuen Schaltung soll sein, dass die Schaltpunkte unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Erstes Konzept: Komparator-Schaltung mit einstellbarem Trigger

Als erste Idee haben wir eine Komparator-Schaltung mit einstellbarem Trigger getestet. Diese Schaltung nutzt zwei Operationsverstärker als Vergleicher, die jeweils über ein Potenziometer eingestellt werden können. OPV_1A ist für den einschaltpunkt und OPV_2A für den abschaltpunkt zuständig. Beide Ausgänge werden mit dem Operationsverstärker OPV_3A zusammengeführt.

Diese Schaltung funktioniert nur, wenn die Operationsverstärker eine positive und negative Spannung als Versorgungsspannung bekommen. Eine negative Spannung könnte man durch eine Verschiebung des Nullpunktes erreichen, erhöht allerdings den Schaltungsaufwand. Beim Simulieren ist uns außerdem aufgefallen, dass sich die Schaltpunkte verschieben können.

Zweites Konzept: Komparator-Schaltung + FlipFlop

Beim zweiten Konzept wurde die Idee mit den zwei Komparatoren aus dem ersten Konzept übernommen. Der OPV_1 schaltet das angeschlossene FlipFlip ein und arbeitet als nichtinvertierender Komparator. Der OPV_2 schaltet beim unterschreiten einer einstellbaren Spannung das FlipFlop wieder aus.

Als Referenzspannung für die Vergleicher werden zwei Zenerdioden genutzt. Mit den Spannungteilern aus R8 und R9 sowie R7 und R6 werden die Schaltpunkte eingestellt. Beispiel für Schaltpunkt des OPV_1:

Gegeben: Referenzspannung = 3.3 V, Schaltpunkt = 14.9 V, R7 = 30 kOhm
Gesucht: R6
3,3 V = 14.9 V * (R6 /(R6 + 30 kOhm))
3.3 V * 30 kOhm = 14.9 V * R6 – 3.3 V * R6
R6 = 3.3 V * 30 kOhm / 14.9 V – 3.3 V
R6 = 8.5 kOhm

Zusammenfassung

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