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

Der Pelletgrill

Der Pelletgrill ist wie er Name schon sagt ein Grill, welcher allerdings nicht mit Holzkohle befeuert wird, sondern aus sogenannten Holzpellets seine Wärmeenergie gewinnt.

Pelletgrill

Pellts sind kleine gepresste Holzstäbchen, welche aus Holzresten bestehen, sowie aus 2% Presshilfe wie Roggen- oder Maismehl. Diese Lagern in einem Tank und werden mit Hilfe eines Getriebemotors und einer Förderschnecke in den Brennraum geführt. Dort sorgt ein Glühstab für die Entzündung. Durch einen Ventilator gelangt Luft in die Brennkammer, sodass eine Flamme entstehen kann, welche dann für die Wärme im Garraum sorgt. Ein Hauptmerkmal des Pelletgrills ist, dass dieser ein geschlossenes System ist. Das bedeutet, ein Deckel schließt den Garraum, sodass heiße Luft im Inneren zirkulieren kann und somit ein Umlufteffekt entsteht, wie man es bei einem Backofen kennt. Des Weiteren arbeitet diese Art von Grill vollständig autonom. Man stellt bei Grillbeginn eine gewünschte Temperatur über Tasten ein und wartet dann kurze Zeit, bis diese Temperatur erreicht wurde. Damit die elektrischen Komponenten arbeiten können, wird eine Spannungsquelle benötigt.

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 $I=0,3A$ 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. Da der Brückengleichrichter jede negative Halbwelle "hochklappt", gilt für diesen Fall $\Delta{}t=0,01s$. Die Größe $\Delta{}U$ für die Spannungsänderung, mit der der Festspannungsregler noch eine Ausgangsspannung stabilisieren kann. Hier wurde der Wert $\Delta{}U=3V$ gewählt. Damit ergibt sich:

$C=0,3A \cdot {0,01s \over 3V}= 1000nF$ .

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

Erstellen des Schaltplans mit NI Multisim/Platinenlayout mit NI Ultiboard

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. Hauptartikel: Platinenlayout mit NI Multisim/Ultiboard

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.

Reflexion

Das Elektrotechnik-Fachpraktikum war in vielerlei Hinsicht eine interessante Erfahrung. So beinhaltet das Projekt viele Aufgaben in den mechatronischen Disziplinen Elektrotechnik, Mechanik und Informationstechnik. Auch Softskills, wie Projektmanagement waren gefordert. Außerdem waren die Studierenden allein für das jeweilige Projekt verantwortlich, was das Verantwortungsbewusstsein stärkt.

Konkret erlangten die Studierenden Kenntnisse im Aufbau und der Dimensionierung von Netzteilen, außerdem wurde der Umgang mit den Programmen NI Multisim und NI Ultiboard erlernt, sodass nun Schaltungen entworfen, berechnet und simuliert werden können, sowie diese Schaltungen in Platinenform gefertigt und bestückt werden können. Zudem musste der Einbau in ein geeignetes Gehäuse erfolgen, wobei auf verschiedene mechanische Aspekte zu achten war, wie Erwärmung, Anordnung der Bauteile, Schutz vor Außeneinflüssen.

Das Grillprojekt hat dementsprechend folgende Fortschritte gemacht:

Der neue Regelbaustein ist nun kompakter und weniger störanfällig. Die Elektronik ist durch eine Gehäuse vor Umwelteinflüssen, sowie unsachgemäßen Berührungen geschützt und für den Außeneinsatz bereit.