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Projekt: Labornetzteil

2005-06-28T08:11:57Z

217.249.27.3: /* Regeleinheit(en) (Zusammenfassung) */

[[Category:Projekte]]

By: Clemens Helfmeier

Diese Wiki-Seite soll als Entwicklungsmedium für ein Labornetzteil fungieren. Es wird ein modulares Labornetzteil entworfen und die Ergebnisse hier präsentiert.

=Aufbau (Zusammenfassung)=
Das Netzteil soll modular aufgebaut werden, so dass zusätzliche Erweiterungen einfach anzubinden sind. Dafür werden eine [[Projekt: Labornetzteil#Kontrolleinheit|Kontrolleinheit]] und eine oder mehrere [[Projekt: Labornetzteil#Regeleinheit(en)|Regeleinheit(en)]] beötigt. Die Verbindung wird duch eine [[Projekt: Labornetzteil#Schnittstelle (Zusammenfassung)|(noch zu definierende) Schnittstelle]] hergestellt.

==Kontrolleinheit (Zusammenfassung)==
Die Kontrolleinheit (später auch "Master" oder "Mastereinheit" genannt) ist für die Interaktion mit dem Benutzer zuständig. Nebenbei soll sie noch mit anderer digitaler Hardware (z.B. PC) interagieren können. Dazu werden folgende Schnittstellen benötigt:
* LC-Display: Dieses ist zum Anzeigen von Informationen nötig. Es wird ein [[HD44780|HD44780-Kompatibles]] Display eingesetzt. (Alternativ kann auch ein Grafikdisplay eingesetzt werden, um Ladungskurven etc direkt anzuzeigen)
* Taster: Zum Eingeben der Ausgangsspannung und des Ausgangsstrom werden Taster oder Drehgeber benötigt.
* RS232 oder USB für die Verbindung zum PC: Beides wird in das Layout aufgenommen und kann mit einem Jumper auf der Platine ausgewählt werden.

==Regeleinheit(en) (Zusammenfassung)==
Die Regeleinheiten (später auch "Slaves" oder "Slaveeinheiten" genannt) sind für das Regeln der Ausgänge zuständig. Sie brauchen eine Schnittstelle zur Kontrolleinheit, die ihnen die Sollwerte liefert und über die sie auch die Ist-Werte zurückgeben können. Weiterhin muss es eine Möglichkeit geben, die Kontrolleinheit über Statusänderungen zu informieren (z.B. kurzgeschlossener Ausgang, Überhitzung, etc.).
Die Slaves sollen im Grunde auch alleine Arbeiten und von der Kontrolleinheit NUR Sollwerte bekommen bzw IST Werte zu dieser senden.

Regeleinheiten müssen aus folgenden Blöcken bestehen:
* Galvanische Trennung von der Schnittstelle zur Kontrolleinheit (z.B. über Optokoppler)
* Verarbeitung der Informationen, ggf. Umwandlung in analoge Spannungen
* Regelung des Ausgangs

==Schnittstelle (Zusammenfassung)==
Die Schnittstelle zwischen Kontroll- und Regeleinheiten muss folgendes Leisten:
* galvanische Trennung
* Möglichekeit zur Anbindung mehrerer Regeleinheiten
* ggf. Interrupts

Zur Auswahl standen unterschiedliche Schnittstellen wie [[CAN|CAN]], [[SPI|SPI]], [[UART|UART]], [[I2C|I2C]].
Ausgewählt wurde eine etwas modifizierte UART-Schnittstelle. Diese wird von den meisten µControllern in Hardware unterstützt und kann somit besonders einfach und Rechenleistungsarm verwendet werden. Der Master muss seinen Empfänger mit Hilfe eines Multiplexers auf mehrere Slaves schalten können. Das Protokoll bestimmt den Slave, für den das Signal ist und auf den gehöhrt werden soll.

Eine andere (und unter umständen einfachere) Methode ist ein I2C Bus.
Hier wären keine Multiplexer notwendig und die Verwendung von 0815 Optokopplern wäre auch möglich...

Mehr zur Schnittstelle unter [[Projekt: Labornetzteil#Schnittstelle|Schnittstelle]].

=Schnittstelle=
==Elektrischer Aufbau==
Elektrischer Aufbau der Schnittstelle:
[[Bild:netzteil_interface.png|thumb|right|300px|Schnittstelle]]

Die elektrische Seite der Schnittstelle zwischen Master und Slave ist sehr einfach. Es werden nur zwei Optokoppler verwendet, einer davon braucht einen Tri-State-Ausgang.

==Protokoll==
Die Datenkommunikation geschieht paketorientiert. Ein Paket besteht immer aus 8 Byte.
Aufbau des Pakets:
{| border=1 cellpadding=2 cellspacing=0
!Offset
|align="center"| 0
|align="center"| 1
|align="center"| 2
|align="center"| 3
|align="center"| 4
|align="center"| 5
|align="center"| 6
|align="center"| 7
|-
!Inhalt
| Slave Addresse
| Reserviert
| Befehl low
| Befehl high
| Daten
| Daten
| Daten
| Daten
|}
Das Feld "Slave Addresse" ''muss immer'' mit der Addresse des Slaves gefüllt sein, der an der Übertragung beteiligt ist (er ist entweder Sender oder Empfänger). Für den Befehl sind folgende Werte vorgesehen:
{| border=1 cellpadding=2 cellspacing=0
! Wert
! Bedeutung
! genauere Beschreibung (Link)
|-
| 0x0000 - 0x00FF || Reserviert || [[Projekt: Labornetzteil#Reservierte Befehle|Reservierte Befehle]]
|-
| 0x0100 - 0x01FF || Information || [[Projekt: Labornetzteil#Informative Befehle|Informative Befehle]]
|-
| 0x1000 - 0xFFFF || Gerätspezifisch || [[Projekt: Labornetzteil#Geräte Befehle|Geräte Befehle]]
|}

===Reservierte Befehle===
Bereich: 0x0000 bis 0x00FF (Befehl high = 0x00)
Dieser Befehlsbereich wird reserviert und darf nicht genutzt werden.

===Informative Befehle===
Bereich: 0x0100 bis 0x01FF (Befehl high = 0x01)
Informative Befehle vermitteln dem Master, welche Gerätespezifischen Befehle der Slave unterstützt.

===Geräte Befehle===
Bereich: 0x1000 - 0xFFFF
Dieser Befehlsbereich wird vom System genutzt, um dem Slave mitzuteilen, welche Ausgangskonditionen anliegen sollen, und vom Slave zu erfahren, welche wirklich anliegen.

=Regeleinheiten=
Das Netzteil ist absichtlich modular aufgebaut. Dadurch kann sich der gewillte Nachbauer genau die Einheiten nachbauen, die er braucht. Die Modularität soll in erster Linie aber nicht dazu verwendet werden, aus dem Netzteil eine eierlegende Wollmichsau zu machen. Sattdessen sollen dadurch sinnvolle Vereinfachungen getroffen werden.

==Längsregler==
Längsregler haben viele gute Eigenschaften. Am deutlichsten hervorzuheben ist die gerine Ausgangswelligkeit (z.B. gegenüber Schaltnetzteilen) und das schnelle Regelverhalten. Dem gegenüber stehen hohe Verlustleistugen.
Das (chronologisch) erste Netzteilmodul ist ein Längsregler für Ausgangsspannungen bis 40V und Ausgangsströmen von 1A. Zugegebener Maßen ist das nicht viel, doch für den Anfang soll es reichen (immerhin schon 40W!)

'''Wer mit den Eckdaten (Ausgangsspannung/Ausgangsstrom) der folgenden Regeleinheiten nicht einverstanden ist, sollte eine neue Regeleinheit anlegen und nicht willkürlich die Werte ändern!'''

===Längsregler 40V 1A===
Diese Längsregeleinheit ist für eine Ausgangsleistung von 40W bei 40V ausgelegt.
Berechnung der Eingangsglieder:
* Ausgangsspannung 40V, es werden also mindestens 45V Versorgung gebraucht
* Der Gleichrichter hat 1V Spannungsabfall.
* Der Trafo braucht also (45+1)/sqrt(2) = 36V
* Damit wird der Ausgangselko im Leerlauf auf 36*1.5=55V aufgeladen
* Der Ausgangskondensator darf auf minimal 45V bei 1.5A (aufgerundet, wir wollen auf der sicheren Seite sein) abfallen. Das entspricht einer Kapazität von 1.5mF. Auch nach 10 Jahren sollte das Netzteil noch arbeiten, also nehmen wir Kondensatoren 2mF, 63V, Radial für Platinenmontage (2x RAD1.000/63)
* Die Ausgangsleistung (Gleichstrom) beträgt 36V*sqrt(2)*1.5A=78W, es wird ein Ringkerntransformator mit 80W, 2x18V gewählt (RKT8018). Dieser Liefert 2.22A
* Der Gleichrichter muss 1.5A gleichrichten, Sperrspannung 100V (B100C5000-3000) (ggf. etwas zu groß)

Damit hätten wir schonmal den ersten Teil (hier nur das, was nicht auf die Platine gelötet wird):
[[Bild:linear_trafo.png|500px|Trafo mit Netzfilter]]

Projekt: Labornetzteil

2005-06-28T08:09:29Z

217.249.27.3: /* Kontrolleinheit (Zusammenfassung) */

[[Category:Projekte]]

By: Clemens Helfmeier

Diese Wiki-Seite soll als Entwicklungsmedium für ein Labornetzteil fungieren. Es wird ein modulares Labornetzteil entworfen und die Ergebnisse hier präsentiert.

=Aufbau (Zusammenfassung)=
Das Netzteil soll modular aufgebaut werden, so dass zusätzliche Erweiterungen einfach anzubinden sind. Dafür werden eine [[Projekt: Labornetzteil#Kontrolleinheit|Kontrolleinheit]] und eine oder mehrere [[Projekt: Labornetzteil#Regeleinheit(en)|Regeleinheit(en)]] beötigt. Die Verbindung wird duch eine [[Projekt: Labornetzteil#Schnittstelle (Zusammenfassung)|(noch zu definierende) Schnittstelle]] hergestellt.

==Kontrolleinheit (Zusammenfassung)==
Die Kontrolleinheit (später auch "Master" oder "Mastereinheit" genannt) ist für die Interaktion mit dem Benutzer zuständig. Nebenbei soll sie noch mit anderer digitaler Hardware (z.B. PC) interagieren können. Dazu werden folgende Schnittstellen benötigt:
* LC-Display: Dieses ist zum Anzeigen von Informationen nötig. Es wird ein [[HD44780|HD44780-Kompatibles]] Display eingesetzt. (Alternativ kann auch ein Grafikdisplay eingesetzt werden, um Ladungskurven etc direkt anzuzeigen)
* Taster: Zum Eingeben der Ausgangsspannung und des Ausgangsstrom werden Taster oder Drehgeber benötigt.
* RS232 oder USB für die Verbindung zum PC: Beides wird in das Layout aufgenommen und kann mit einem Jumper auf der Platine ausgewählt werden.

==Regeleinheit(en) (Zusammenfassung)==
Die Regeleinheiten (später auch "Slaves" oder "Slaveeinheiten" genannt) sind für das Regeln der Ausgänge zuständig. Sie brauchen eine Schnittstelle zur Kontrolleinheit, die ihnen die Sollwerte liefert und über die sie auch die Ist-Werte zurückgeben können. Weiterhin muss es eine Möglichkeit geben, die Kontrolleinheit über Statusänderungen zu informieren (z.B. kurzgeschlossener Ausgang, Überhitzung, etc.).

Regeleinheiten müssen aus folgenden Blöcken bestehen:
* Galvanische Trennung von der Schnittstelle zur Kontrolleinheit (z.B. über Optokoppler)
* Verarbeitung der Informationen, ggf. Umwandlung in analoge Spannungen
* Regelung des Ausgangs

==Schnittstelle (Zusammenfassung)==
Die Schnittstelle zwischen Kontroll- und Regeleinheiten muss folgendes Leisten:
* galvanische Trennung
* Möglichekeit zur Anbindung mehrerer Regeleinheiten
* ggf. Interrupts

Zur Auswahl standen unterschiedliche Schnittstellen wie [[CAN|CAN]], [[SPI|SPI]], [[UART|UART]], [[I2C|I2C]].
Ausgewählt wurde eine etwas modifizierte UART-Schnittstelle. Diese wird von den meisten µControllern in Hardware unterstützt und kann somit besonders einfach und Rechenleistungsarm verwendet werden. Der Master muss seinen Empfänger mit Hilfe eines Multiplexers auf mehrere Slaves schalten können. Das Protokoll bestimmt den Slave, für den das Signal ist und auf den gehöhrt werden soll.

Eine andere (und unter umständen einfachere) Methode ist ein I2C Bus.
Hier wären keine Multiplexer notwendig und die Verwendung von 0815 Optokopplern wäre auch möglich...

Mehr zur Schnittstelle unter [[Projekt: Labornetzteil#Schnittstelle|Schnittstelle]].

=Schnittstelle=
==Elektrischer Aufbau==
Elektrischer Aufbau der Schnittstelle:
[[Bild:netzteil_interface.png|thumb|right|300px|Schnittstelle]]

Die elektrische Seite der Schnittstelle zwischen Master und Slave ist sehr einfach. Es werden nur zwei Optokoppler verwendet, einer davon braucht einen Tri-State-Ausgang.

==Protokoll==
Die Datenkommunikation geschieht paketorientiert. Ein Paket besteht immer aus 8 Byte.
Aufbau des Pakets:
{| border=1 cellpadding=2 cellspacing=0
!Offset
|align="center"| 0
|align="center"| 1
|align="center"| 2
|align="center"| 3
|align="center"| 4
|align="center"| 5
|align="center"| 6
|align="center"| 7
|-
!Inhalt
| Slave Addresse
| Reserviert
| Befehl low
| Befehl high
| Daten
| Daten
| Daten
| Daten
|}
Das Feld "Slave Addresse" ''muss immer'' mit der Addresse des Slaves gefüllt sein, der an der Übertragung beteiligt ist (er ist entweder Sender oder Empfänger). Für den Befehl sind folgende Werte vorgesehen:
{| border=1 cellpadding=2 cellspacing=0
! Wert
! Bedeutung
! genauere Beschreibung (Link)
|-
| 0x0000 - 0x00FF || Reserviert || [[Projekt: Labornetzteil#Reservierte Befehle|Reservierte Befehle]]
|-
| 0x0100 - 0x01FF || Information || [[Projekt: Labornetzteil#Informative Befehle|Informative Befehle]]
|-
| 0x1000 - 0xFFFF || Gerätspezifisch || [[Projekt: Labornetzteil#Geräte Befehle|Geräte Befehle]]
|}

===Reservierte Befehle===
Bereich: 0x0000 bis 0x00FF (Befehl high = 0x00)
Dieser Befehlsbereich wird reserviert und darf nicht genutzt werden.

===Informative Befehle===
Bereich: 0x0100 bis 0x01FF (Befehl high = 0x01)
Informative Befehle vermitteln dem Master, welche Gerätespezifischen Befehle der Slave unterstützt.

===Geräte Befehle===
Bereich: 0x1000 - 0xFFFF
Dieser Befehlsbereich wird vom System genutzt, um dem Slave mitzuteilen, welche Ausgangskonditionen anliegen sollen, und vom Slave zu erfahren, welche wirklich anliegen.

=Regeleinheiten=
Das Netzteil ist absichtlich modular aufgebaut. Dadurch kann sich der gewillte Nachbauer genau die Einheiten nachbauen, die er braucht. Die Modularität soll in erster Linie aber nicht dazu verwendet werden, aus dem Netzteil eine eierlegende Wollmichsau zu machen. Sattdessen sollen dadurch sinnvolle Vereinfachungen getroffen werden.

==Längsregler==
Längsregler haben viele gute Eigenschaften. Am deutlichsten hervorzuheben ist die gerine Ausgangswelligkeit (z.B. gegenüber Schaltnetzteilen) und das schnelle Regelverhalten. Dem gegenüber stehen hohe Verlustleistugen.
Das (chronologisch) erste Netzteilmodul ist ein Längsregler für Ausgangsspannungen bis 40V und Ausgangsströmen von 1A. Zugegebener Maßen ist das nicht viel, doch für den Anfang soll es reichen (immerhin schon 40W!)

'''Wer mit den Eckdaten (Ausgangsspannung/Ausgangsstrom) der folgenden Regeleinheiten nicht einverstanden ist, sollte eine neue Regeleinheit anlegen und nicht willkürlich die Werte ändern!'''

===Längsregler 40V 1A===
Diese Längsregeleinheit ist für eine Ausgangsleistung von 40W bei 40V ausgelegt.
Berechnung der Eingangsglieder:
* Ausgangsspannung 40V, es werden also mindestens 45V Versorgung gebraucht
* Der Gleichrichter hat 1V Spannungsabfall.
* Der Trafo braucht also (45+1)/sqrt(2) = 36V
* Damit wird der Ausgangselko im Leerlauf auf 36*1.5=55V aufgeladen
* Der Ausgangskondensator darf auf minimal 45V bei 1.5A (aufgerundet, wir wollen auf der sicheren Seite sein) abfallen. Das entspricht einer Kapazität von 1.5mF. Auch nach 10 Jahren sollte das Netzteil noch arbeiten, also nehmen wir Kondensatoren 2mF, 63V, Radial für Platinenmontage (2x RAD1.000/63)
* Die Ausgangsleistung (Gleichstrom) beträgt 36V*sqrt(2)*1.5A=78W, es wird ein Ringkerntransformator mit 80W, 2x18V gewählt (RKT8018). Dieser Liefert 2.22A
* Der Gleichrichter muss 1.5A gleichrichten, Sperrspannung 100V (B100C5000-3000) (ggf. etwas zu groß)

Damit hätten wir schonmal den ersten Teil (hier nur das, was nicht auf die Platine gelötet wird):
[[Bild:linear_trafo.png|500px|Trafo mit Netzfilter]]