= PowerMonitor Hardware Version 1 = <> == Spannungsregler == Die Erzeugung der Versorgungsspannung für die Gate-Treiber (12V-20V) und die Mikrocontroller (5V) gestaltet sich hier aufgrund der hohen Eingangsspannung von 60V etwas komplizierter als üblich. Unter den Linearreglern gibt es nur den [[http://www.farnell.com/datasheets/88010.pdf|LM317HV]] der überhaupt solche Eingangspannungen verträgt. Da bei derartigen Spannungsdifferenzen die Verlustleistung aber nicht beherrschbar ist, wir ein Schaltregler benötigt. Der [[http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tl2575hv-12.html|TL2575HV]] erfüllt mit einer Maximalen Eingangsspannung von 60V genau die geforderte Spezifikation und ist mit ca. 50kHz Schaltfrequenz relativ anspruchslos was das Layout angeht. Da die Gate-Treiber für eine Versorgungsspannung von bis zu 20V spezifiziert sind, bietet es sich an diese Grenze auszunutzen, damit die Gates schneller geladen werden und die Schaltverluste in den Transistoren verringert werden. Diese Spannungsschiene wird jedoch im Schaltplan und in den weiteren Ausführungen als +12V bezeichnet. Desweiteren werden noch ein [[http://de.farnell.com/national-semiconductor/lm1117mp-5-0/v-reg-ldo-5-0v-1117-sot223-3/dp/9778209|LM1117-5.0]] und ein [[http://de.farnell.com/texas-instruments/tps76950dbvr/spannungsregler/dp/1703395?Ntt=TPS76950|TPS76950]] zur Erzeugung von 5.0V für die Mikrocontroller bzw. die Analogen Komponenten verwendet. Alle Spannungsregler werden über entsprechende Kupferflächen auf der Platine gekühlt. == Messung der Akkuspannung == Zum Messen der Akkuspannung mit dem im Mikrocontroller integrierten A/D-Wandler muss diese zunächst au ein Spannungsniveau von maximal 5V geteilt werden. Da die Akkuspannung nur zwischen 30V und 60V schwankt, kann man die Auflösung der Messung erhöhen wenn man nur diesen Bereich auf den Messbereich des AD-Wandlers abbildet. Hierzu kommt folgende Differenzverstärkerschaltung<> zum einsatz: {{attachment:diff-amp.png|Quelle: "Op Amps For Everyone", Seite A-13|width="500px"}} Die Ausgangsspannung errechnet sich zu: {{attachment:diff-amp-formula.png|Quelle: "Op Amps For Everyone", Seite A-13|width="500px"}} Vin2 ist hierbei die Akkuspannung und Vin1 eine beliebige, aber präzise Referenzspannung. Diese beträgt hier 3.000V und wird durch eine Referenzspannungsquelle vom Typ [[http://de.farnell.com/national-semiconductor/lm4040cim3-3-0/spann-referenz-shunt-hi-prec-3sot23/dp/1798365|LM4040]] erzeugt. Es wird ein 1kOhm Vorwiderstand verwendet, was einen Strom von etwa 2mA durch die Referenzspannungsquelle zur Folge hat. Zur Berechnung der Widerstandswerte werden die beiden Grenzwerte des Messbereichs festgelegt. Hierbei ist zu berücksichtigen dass der Operationsverstärker 0V und die Versorgungsspannung nicht genau erreichen kann. Es wird deshalb ein Sicherheitsabstand von 0.2V zu den Spannungsschinen vorgesehen. Dies sollte für den verwendeten Rail-to-Rail Op-Amp ([[http://de.farnell.com/analog-devices/ad8541artz/amp-rail-rail-smd-sot23-5-8541/dp/1333254|AD8541]]) ausreichend sein. * Vin1 = 30V -> Vout = 0.2V * Vin1 = 60V -> Vout = 4.8V Man kann nun das obige Gleichungsystem lösen und Werte für die Widerstandsverhältnisse Rf/Rg und R2/(R1+R2) berechnen: * R1 = 150kOhm * R2 = 10kOhm * RF = 22kOhm * RG = 15kOhm Um das Nyquist Theorem bei einer Abtastfrequenz von 100Hz zu erfüllen und die lastbedingten, schnellen Schwankungen der Akkuspannung zu mitteln, wird paralell zu R2 ein 22nF Kondensator geschaltet, welcher zusammen mit R1 einen Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 50Hz bildet. == Messung des gesamten Akkustroms == == Schaltung der Motorstromversorgung == aus Sicherheitsgründen soll die Stromversorgung für die Motoren getrennt werden können. Dazu gibt es folgende Optionen: === Optionen === ==== mit Halbleiterventilen ==== * High-Side Switch * High-Side Swiches sind nicht mit den nötigen Spezifikationen (60V, 60A) verfügbar. Deshalb ist diese Variante vorerst nicht relevant * N-Kanal MOSFET * in der Masse Leitung * in der Positiven Versorgungsleitung * benötigt Ladungspumpe, Highside-Treiber o.ä. * [[http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1910fa.pdf|LT1910]] * P-Kanal MOSFET * Keine Bauteile mit vernünftigen Widerstand verfügbar * Verluste zu groß ===== Verlustbetrachtung ===== Ausgehend davon dass N-Kanal MOSFETS mit 2mOhm Einschaltwiderstand verwendet werden, ergibt sich bei einem Strom von 60A und 4 paralell geschalteten MOSFETS eine gesamte Verlustleistung von 1.8W ==== mit mechanischem Schalter (Relais) ==== * [[http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=79398;GROUPID=;SID=26hSLw@KwQARoAAARaAhIb906debcad1f151dfc09422e992c51d4|FRA2 C 12]] ===== Verlustbetrachtung ===== Die Spule in diesem Relais benötigt laut Datenblatt 900mW === Umsetzung === Die Lösung mit 4 N-Kanal MOSFETS als High-Side Switches stellt zwar die Aufwendigste, aber auch Technisch beste Möglichkeit der oben aufgezählten Optionen dar. * Vorteile * Robuster als Relais * kann heiss schalten * Nachteile * teuer * etwas mehr Platzbedarf auf der Platine Konkret werden folgende Bauteile verwendet: * MOSFET: [[http://de.farnell.com/international-rectifier/irls3036-7ppbf/mosfet-n-kanal-60v-240a-d2pak/dp/1698311|IRLS 3036]] * High-Side Treiber: [[http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1910fa.pdf|LT1910]] Als MOSFET wird der selbe Typ wie in der Endstufe [[EBike/PowerStage|Endstufe]] verwendet. Er wird dort genauer beschrieben. Auch bei der Auswahl des High-Side Treibers schränkten die gegebenen Anforderungen die in Frage kommenden Bauteile stark ein. Es wird ein Treiber mit integrierter Ladungspumpe benötigt, da der Leistuns-MOSFET dauerhaft eingaschaltet sein soll. Der LT1910 ist der einzige Baustein, der diese Funktion bietet und zudem die Eingangsspannugn von 60V aushält, den ich gefunden habe. Genau genommen ist er laut Datenblatt sogar nur für 48V Betriebsspannung ausgelegt, verträgt aber Einschaltspitzen bis 60V. Ich verwende Ihn also mit dem Hindergedanken dass die Nominelle Akkuspannung nur 48V berägt (und nur die Ladeschlusspannung bis zu 60V betragen kann) in der Hoffnung dass er es überlebt. === Dimensionierung === Der LT1910 bietet die Möglichkeit über einen Shunt-Widerstand den Strom zu überwachen und beim überschreiten eines über den Wert des Widerstandes definierten Stroms die Last von der Spannungsversorgung zu trennen. Hierzu vergleicht der LT1910 die über dem Shunt abfallende Spannung intern mit einer vorgegebenen Referenzspannung von 65mV. Hieraus ergibt sich für den Wert des Shuntwiderstandes theoretisch 1.08mOhm. Da die Verlustleistung maximal 3.9W beträgt ist es sinnvoll mehrere Widerstände paralell zu schalten um die entstehende Wärme zu verteilen. Ich habe mich für [[http://de.farnell.com/welwyn/ulr15s-r004ft2/resistor-r004-1-5w-1/dp/1621984?Ntt=1621984|diesen Widerstand]] entschieden, da vom 1. Layout noch einige vorhanden sind. Mit 4 Widerständen ergibt sich ein Gesamtwert von 1mOhm, was einen Strom von 65A beträgt. Um im Fehlerfall die Zeit zu definieren nach der die Last wieder zugeschaltet wird ist ein externen Kondensator nötg. Dieser wird bei Überstrom auf 1V entladen und anschließend über eine Konstantstromquelle mit 14µA wieder auf 2.9V geladen. Für eine Verzögerungszeit von 100ms, was ausreichend ist damit der Mikrocontroller reagieren kann, ist ein Kondensator mit 737nF nötig. Dies ergibt sich über den Zusammenhang Q=C*U und I=dQ/dt. Die Kapazität errechnet sich dann zu C=I*dt/dU. Ein Kondensator mit 1µF sollte also ausreichend sein. === Kühlung === Zur Kühlung der Transistoren sind 2 Kühler vom Typ [[http://de.farnell.com/fischer-elektronik/fk-244-13-d2-pak/kuhlkorper-d2-pak-22-8k-w/dp/4302436?Ntt=4302436|Fischer FK 244]] vorgesehen die bei Bedarf auf die Platine aufgelötet werden und die Tranistoren über den Kupferbelag der Platine Kühlen. Ein Kühlkörper direkt auf die Transistoren zu kleben ist nicht sinnvoll, da der Wärmewiderstand zwischen aktivem Halbleiter und dem Plastikgehäuse sehr groß ist. === Sonstige Betrachtungen === Der Strom kann auf Grund von Rückspeisung beim Bremsen auch "Rückwärts" fließen. Da die Transistoren im sperrenden Zustand auf Grund der parasitären Shottky trotzdem von Source nach Drain leiten lässt sich eine Rückspeisung nicht verhindern. Dies ist jedoch erst bei hohen Drehzahlen relevand, da die Polradspannung das Niveau der Batteriespannung übersteigen muss. Im Fall eines Kurzschlusses auf Batterieseite würden die Motoren jedoch fast mit Maximaler Leistung bremsen. Aber wenn das passiert haben wir eh ein anderes Problem. == Layout == === Shunt für den LT1910 === Auf der Platine sind insgesamt 8 Widerstände vorgesehen um die benötigten 4x4mOhm flexibel auf der Ober- und Unterseite bestücken zu können. == Teileliste == ||'''Name''' ||'''Bezeichnung/Typ/Wert''' ||'''Menge''' ||'''Lieferant:Bestellnummer''' ||'''Bemerkungen''' || ||C209, C211, C201, C202, C203, C204, C207, C208 ||100nF 0805 ||8 ||Reichelt: X7R-G0805 100N || || ||C106,C205, C107 ||1µF, 25V, 1206 ||3 ||Reichelt: X7R-G1206 1,0/50 || || ||C104, C105 ||10µF, Tantal (C) ||2 ||Reichelt: SMD TAN.10/16 || || ||C210 ||22nF, 0805 ||1 ||Reichelt: X7R-G0805 22N || || ||C12 ||47µF, 25V, Tantal (D) ||1 ||Farnell: 1457517 || || ||C206 ||10µF, 63V ||1 ||Reichelt: VF 10/63 K-D || || ||C103 ||100µF, 25V ||1 ||Reichelt:VF 100/25 K-E || || ||C101 ||100µF, 63V ||1 ||Reichelt:VF 100/63 K-G || || ||C102 ||470µF, 25V ||1 ||Reichelt: VF 470/25 K-G || || ||D101, D102 ||MBRS260 ||2 ||Farnell: 1459074 || || ||R202, R203, R204, R205 ||0R ||4 ||Reichelt: SMD-0805 0,0 || || ||R206, R207, R208, R209, R210, R211, R212, R213 ||0R004 ||4 ||Farnell: 1621984||nur 4 von 8 bestücken || ||R101 ||9,1k 0805 ||1 || ||aus Sortiment 8,2K oder 10K || ||R201, R218 ||10k 0805 ||2 ||Reichelt: SMD-0805 10,0K || || ||R102, R215 ||15k 0805 ||2 ||Reichelt: SMD-0805 15,0K|| || ||R214 ||1k 0805 ||1 ||Reichelt: SMD-0805 1,00K|| || ||R223 ||1,8k 0805 ||1 ||Reichelt: SMD-0805 1,80K|| || ||R219, R220, R221, R222 ||300 0805 ||4 ||Reichelt: SMD-0805 330|| || ||R216 ||22k 0805 ||1 ||Reichelt: SMD-0805 22,0K|| || ||R217 ||150k 0805 ||1 ||Reichelt: SMD-0805 150K|| || ||L102 ||22µH PIS2816 ||1 ||Reichelt: L-PIS2816 22µ|| || ||L101 ||1mH PISR ||1 ||Reichelt: L-PISR 1,0M|| || ||L103, L104 ||L-1206F 10µ ||2 ||Reichelt: L-1206F 10µ || || ||LED201, LED204, LED205 ||SMD-LED 1206K GN ||3 ||Reichelt: SMD-LED 1206K GN || || ||LED202 ||SMD-LED 1206K GE ||1 ||Reichelt: SMD-LED 1206K GE || || ||LED203 ||SMD-LED 1206K RT ||1 ||Reichelt: SMD-LED 1206K RT || || ||IC205 ||AD8541-SOT23 ||1 ||Farnell: 1333254 || || ||IC101 ||LM1117-50 ||1 ||TI Sample || (./) || ||IC103 ||TL2575HV-12KTT ||1 ||TI Sample || (./) || ||IC102 ||TPS76950 ||1 ||TI Sample || (./) || ||IC201 ||ATMEGA8-AI ||1 || || (./) || ||IC202 ||MCP2551-SN ||1 ||Reichelt: MCP 2551-I/SN|| || ||IC203 ||LT1910 ||1 ||Farnell: 1273493 || || ||IC204 ||ALLEGRO_ACS750CA ||1 ||Silica || (./) || ||IC206 ||LM4040-3.0 ||1 ||TI sample || || ||T201, T202, T203, T204 ||IRLS3036-7 ||4 ||Farnell: 1698311 || || ||J101 ||AKL 230-03 ||1 ||Reichelt: AKL 230-03 || || ||J101 ||AKL 249-03 ||1 ||Reichelt: AKL 249-03 || || ||J201 ||AKL 182-04 ||1 ||Reichelt: AKL 182-04 || || ||J201 ||AKL 169-04 ||1 ||Reichelt: AKL 169-04 || || ||J202 ||ML10 ||1 ||Reichelt: WSL 10G || || ||HS201, HS202 ||FK 244 13 D2 PAK ||2 ||Farnell: 4302436 || || ||S1 ||PHAP3301 ||1 ||Reichelt: TASTER 3301 || || ||J102, J103, J203, J204 ||Hochstromsterminals ||4 ||Würth Elektronik: 746 105 7 || (./) || ----- Fußnoten: