Projekt: Labornetzteil

2009-01-05T14:27:34Z

79.231.48.98: /* Laengsregler 40V 1A */

[[Category:Projekte]]

Diese Wiki-Seite soll als Entwicklungsmedium f�r ein Labornetzteil fungieren. Es wird ein modulares Labornetzteil entworfen und die Ergebnisse hier pr�sentiert.

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

==Kontrolleinheit (Zusammenfassung)==
Die Kontrolleinheit (spaeter auch "Master" oder "Mastereinheit" genannt) ist fuer die Interaktion mit dem Benutzer zustaendig. Nebenbei soll sie noch mit anderer digitaler Hardware (z.B. PC) interagieren koennen. Dazu werden folgende Schnittstellen benoetigt:
* LC-Display: Dieses ist zum Anzeigen von Informationen noetig. 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 benoetigt.
* RS232 oder USB fuer die Verbindung zum PC: Beides wird in das Layout aufgenommen und kann mit einem Jumper auf der Platine ausgewaehlt werden.

==Regeleinheit(en) (Zusammenfassung)==
Die Regeleinheiten (spaeter auch "Slaves" oder "Slaveeinheiten" genannt) sind fuer das Regeln der Ausgaenge zustaendig. Sie brauchen eine Schnittstelle zur Kontrolleinheit, die ihnen die Sollwerte liefert und ueber die sie auch die Ist-Werte zurueckgeben koennen. Weiterhin muss es eine Moeglichkeit geben, die Kontrolleinheit ueber Statusaenderungen zu informieren (z.B. kurzgeschlossener Ausgang, Ueberhitzung, etc.).
Die Slaves sollen im Grunde auch alleine Arbeiten und von der Kontrolleinheit NUR Sollwerte bekommen bzw IST Werte zu dieser senden.

Regeleinheiten muessen aus folgenden Bloecken bestehen:
* Galvanische Trennung von der Schnittstelle zur Kontrolleinheit (z.B. ueber 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
* Moeglichekeit zur Anbindung mehrerer Regeleinheiten
* ggf. Interrupts

Zur Auswahl standen unterschiedliche Schnittstellen wie [[CAN|CAN]], [[SPI|SPI]], [[UART|UART]], [[I2C|I2C]].
Ausgewaehlt wurde eine etwas modifizierte UART-Schnittstelle. Diese wird von den meisten �Controllern in Hardware unterstuetzt und kann somit besonders einfach und Rechenleistungsarm verwendet werden. Der Master muss seinen Empfaenger mit Hilfe eines Multiplexers auf mehrere Slaves schalten koennen. Das Protokoll bestimmt den Slave, fuer den das Signal ist und auf den gehoert werden soll.

Eine andere (und unter umstaenden einfachere) Methode ist ein I2C Bus.
Hier waeren keine Multiplexer notwendig und die Verwendung von 0815 Optokopplern waere auch moeglich...

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 gefuellt sein, der an der Uebertragung beteiligt ist (er ist entweder Sender oder Empfaenger). Fuer 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 || Geraetspezifisch || [[Projekt: Labornetzteil#Geraete Befehle|Geraete 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 Geraetespezifischen Befehle der Slave unterstuetzt.

===Geraete 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 Modularit�t soll in erster Linie aber nicht dazu verwendet werden, aus dem Netzteil eine eierlegende Wollmilchsau zu machen. Sattdessen sollen dadurch sinnvolle Vereinfachungen getroffen werden.

==Laengsregler==
Laengsregler haben viele gute Eigenschaften. Am deutlichsten hervorzuheben ist die gerine Ausgangswelligkeit (z.B. gegenueber Schaltnetzteilen) und das schnelle Regelverhalten. Dem gegenueber stehen hohe Verlustleistugen.
Das (chronologisch) erste Netzteilmodul ist ein Laengsregler fuer Ausgangsspannungen bis 40V und Ausgangsstroemen von 1A. Zugegebener Maßen ist das nicht viel, doch fuer 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 willkuerlich die Werte aendern!'''

===Laengsregler 40V 1A===
Diese Laengsregeleinheit ist fuer 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 Kapazitaet von 1.5mF. Auch nach 10 Jahren sollte das Netzteil noch arbeiten, also nehmen wir Kondensatoren 2mF, 63V, Radial fuer Platinenmontage (2x RAD1.000/63)
* Die Ausgangsleistung (Gleichstrom) betraegt 36V*sqrt(2)*1.5A=78W, es wird ein Ringkerntransformator mit 80W, 2x18V gewaehlt (RKT8018). Dieser Liefert 2.22A
* Der Gleichrichter muss 1.5A gleichrichten, Sperrspannung 100V (B100C5000-3000) (ggf. etwas zu groß)

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

Noch ein paar Anmerkungen zum Eingangsteil (vor dem Linearregler):
* es ist nicht geklaert, welche Gleichrichterschaltung zum Einsatz kommt, ich gehe mal von einer Brueckengleichrichtung aus
* bei der Simulation mit LTSpice ist zu sehen, dass die Trafospannung nicht sicher reicht, sie liegt im Minimum bei knapp 40V
* der Diodenstrom (pro Diode, blau dargestellt) ist im Schnitt 1.5A, da ist es besser noch etwas Reserve zu haben
* fuer ordentliche Dimensionierung siehe Tietze/Schenk Halbleiterschaltungstechnik bzw. die [http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9 dse-faq]
[[Bild:Sim_schaltplan.png|Schaltplan]]
[[Bild:Sim_ergebnis.png|Simulationsergebnisse]]

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