Roboter Netzteil by DL1NOS

1 Stromversorgung

Die Stromversorgung ist eines der wichtigsten Bestandteile eines Roboters. Sie darf nicht zu groß ausfallen oder zu schwer werden, muss aber die für den Betrieb des Roboters nötigen Spannungen aus einem einzigen Akku bereitstellen. Zudem sollten plötzliche Lastveränderungen abgefangen und Spannungsspitzen geglättet oder vermieden werden. Die gesamte Steuerung läuft mit 5V, das Funkmodul mit 3,3V. Kommt ein Akku mit 12V zum Einsatz, dann lässt sich die Spannung von 5V sehr einfach und effizient durch einen Step-Down-Wandler erzeugen. Aus den 5V wird mittels einstellbaren Spannungsregler die 3,3V erzeugt.

Problematisch wird das Ansteuern der Schrittmotoren. Normalerweise sind die verwendeten Schrittmotoren für eine Spannung von 10V und einen Strom von 800mA ausgelegt. Die Schrittmotorsteuerung benötigt allerdings eine Spannung von 24V bis 36V. Das liegt daran, dass die Schrittmotorsteuerung eine Stromregelung vornimmt. Nach erreichen des Maximalstroms (also 800mA) wird die Spannung kurzzeitig abgeschaltet und nach unterschreiten einer Stromuntergrenze oder nach einer kurzen Zeitdauer wieder zugeschaltet. Soll der Schrittmotor eine hohe Kraft haben, muss der Strom sehr schnell ansteigen und demzufolge hohe Spannungen verwendet werden. Aus diesem Grund wird die Schrittmotorsteuerung mit Spannungen größer 20V betrieben.

1.1 Netzteilplatine V.1

Es gibt viele Möglichkeiten, eine höhere Ausgangsspannung aus einer niedrigen Eingangsspannung zu erzeugen. Mit Hilfe eines Audio-Verstärkers ist es möglich, eine künstliche Masse zu generieren. Werden mehrere Verstärkerbaugruppen in Reihe geschaltet, dann sind Spannungsvervielfachungen möglich. Das funktioniert ähnlich wie Batterien, die in Reihe geschaltet werden. Die Spannungen der einzelnen Batterien addieren sich. Wir brauchen also zwei Verstärker, um aus 12V 24V zu generieren. Dafür bietet sich ein Stereoverstärker an, in dessem Gehäuse bereits zwei Verstärker enthalten sind.

Es wird Zeit für die erste Platine. Die 3,3V werden nur für das Funkmodul benötigt. Es macht also kaum Sinn, die 3,3V auf der Netzteilplatine zu erzeugen. Der einstellbaren Spannungsregler benötigt nicht viel Platz und kann auch auf dem Funkmodul untergebracht werden.

Bild 1: Netzteilplatine mit 12V Eingang und 5V, bzw. 24V Ausgang

Bild 1: Netzteilplatine mit 12V Eingang und 5V, bzw. 24V Ausgang, den Schaltplan gibts hier

1.1.1 Nachteile

Nach Inbetriebnahme stellte ich ein paar Nachteile fest. Die 24V Stromversorgung erweist sich als sehr ineffizient. Ein Großteil der Leistung wird auch ohne Last am Ausgang in Wärme umgesetzt. Die Stromaufnahme liegt bei 350mA ohne Last. Mit 500mA Last bricht die Spannung auf 21V zusammen. Verringert sich die Eingangsspannung auf 11V, dann fällt die Ausgangsspannung unter Last auf unter 18V! Außerdem fehlt die Möglichkeit die Spannung am Eingang und am Ausgang zu überwachen und auf eventuelle Laständerungen oder Spannungsschwankungen schnell reagieren zu können. Weiterhin wäre eine Abschaltung der Steuerung bei Nichtverwendung nützlich. Es muss also ein neues Konzept her.

 

1.2 Netzteilplatine V.2

In Version 1 der Netzteilplatine wurde ein Step-Down-Wandler für die 5V Stromversorgung verwendet. Dieser Wandler funktionierte problemlos und wird unverändert in die neue Version übernommen. Die 24V Stromversorgung mit einem Audioverstärker ist unbrauchbar. Deshalb muss der Stromversorgungsteil für die Schrittmotoren neu konzipiert werden. In Version 2 soll ein Step-Up-Wandler untersucht werden. Der Step-Up-Wandler erzeugt mit Hilfe einer Spule aus einer kleinen Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung. Allerdings sind Step-Up-Wandler komplizierter aufzubauen als die Spannungsverdopplungsschaltung mit Audioverstärker. Außerdem sollen alle Nachteile der Spannungsverdopplungsschaltung mit Audioverstärker beseitigt werden.

ACHTUNG! An dieser Stelle eine ausdrückliche Warnung an alle Nachbauer dieses Projektes:
Der hier beschriebene Step-Up-Wandler sollte sehr sorgfältig aufgebaut werden, denn der Ausgang ist nur durch die Software des Mikrocontrollers vor Überspannung geschützt. Das bedeuted: Funktioniert die Regelung nicht einwandfrei oder erkennt der Mikrocontroller die Ausgangsspannung nicht, bzw. falsch, können Spannungen jenseits von 40VDC entstehen! Das kann nicht nur zum Platzen der Ausgangs-Elkos führen, sondern auch lebensgefährlich sein!

Wie ein Step-Up-Wandler funktioniert ist auf der Seite http://sprut.de/electronic/switch/schalt.html verständlich erklärt. Benötigt wird eine stabile PWM-Frequenz mit einem regelbaren Tastverhältnis. In der PWM-Frequenz wird ein MOSFET angesteuert, welcher eine Induktivität für die Dauer der „ON-Zeit“ des Tastverhältnisses auflädt und in der „OFF-Zeit“ die aufgeladene Spannung wieder abgibt. Es gibt PWM-Schaltkreise, die diese Funktion bieten. Flexibler ist das Entwickeln einer Schaltung mit Mikrocontroller. Nur dann können Erweiterungen direkt im Quellcode des Mikrocontrollers und ohne Änderung der Hardware vorgenommen werden. Soll ein MOSFET von einem Mikrocontroller angesteuert werden, dann ist ein Treiber erforderlich, der die 5V-TTL-Signale des Mikrocontrollers auf 12V Spannung bringt und eine ausreichende Verstärkung zum Schalten des Gate eines MOSFET besitzt. Umgesetzt wird der hier beschriebene Diskrete MOSFET-Treiber 2. Eine Überwachung der Eingangsspannung ist für den Schutz der Schaltung und des Akkus unerlässlich. Die 12V vom Akku werden durch einen Spannungsteiler auf einen AD-Wandler-Eingang des Mikrocontrollers gegeben. Weiterhin muss die Ausgangsspannung permanent überwacht und bei einer ändernden Lastsituation am Ausgang oder bei sinkender Spannung am Eingang das Tastverhältnis der PWM-Frequenz automatisch angepasst werden. Für die Überwachung wird ebenfalls ein Spannungsteiler auf einen weiteren AD-Wandler-Eingang gegeben. Der Wandler sollte normalerweise aktiv aber auch durch eine einfache Möglichkeit abschaltbar sein.

Es liegt nahe, einen PWM mit hoher Frequenz zu erzeugen. Denn ist die PWM-Frequenz sehr hoch, dann kann der Ringkern und die Ausgangskondensatoren recht klein ausgelegt werden. Diese Tatsache steht allerdings im Konflikt, aus der geringen Eingangsspannung die relativ hohe Ausgangsspannung zu erzeugen. Denn dann darf die PWM-Frequenz nicht zu hoch sein, sonst werden die 30V nicht erreicht. Als guter Wert hat sich ein PWM mit etwas mehr als 30kHz erwiesen. Der verwendete Ringkern ist sowieso nur bis 50kHz einigermaßen effizient verwendbar.

Beim Wickeln des Ringkerns sind kräftige Hände gefragt. Am Wichtigsten ist eine gleichmäßige Wicklung über den gesamten Kern. Die angegebenen 70cm Kupferlackdraht reichen für 19 Windungen. Es bleiben 2cm Anschlussdrähte übrig (Bild 2). Das ergibt dann eine Ringkernspule mit einer Induktivität von ca. 30µH.

Bild 2: Wickeln des Ringkerns

Bild 2: Wickeln des Ringkerns

Der erste Test sollte mit einem regelbaren Labornetzteil und ohne den Ringkern durchgeführt werden. Eventuelle Fehler lassen sich einfacher finden. Außerdem sollte die Spannungserkennung, bzw. Regelung des Mikrocontrollers geprüft werden. Zum Beispiel mit einem Poti am ADC2, bzw. PB4-Anschluss des Mikrocontrollers und einem Oszilloskop am PWM-Ausgang. ACHTUNG die am Poti eingestellte Spannung darf nicht größer als 5V werden! Funktioniert alles wie gewünscht, dann den Ringkern einlöten und wieder mit dem regelbaren Labornetzteil testen. Erst danach erfolgt der Test am Akku (Bild 3). Nicht wundern, die höhere Ausgangsspannung von etwa 31V ist in der Auswahl der Spannungsteilerwiderstände begründet. Ich hatte die im Schaltplan angegebenen Werte nicht zur Hand und habe kurzum andere Widerstände verwendet. Soll die Ausgangsspannung genau 30V betragen, dann reicht eine Anpassung des Schwellwertes in der Zeile:

#define THRESHOLD     0x3B6        //je höher dieser Wert gewählt wird, desto größer ist die Ausgangsspannung

 

Bild 3: Netzteilplatine StepUp-Wandler mit 12V Eingang und 30V Ausgang

Bild 3: Netzteilplatine StepUp-Wandler mit 12V Eingang und 5V, bzw. 30V Ausgang, Quellcode

Im Leerlauf liegt dieser StepUp Wandler bei ca. 60mA. Allein schon an der geringen Stromaufnahme im Leerlauf wird deutlich, dass dieses Netzteils deutlich effizienter ist als das Netzteil in Version 1. Die Spannung bleibt auch während des Zu- bzw. Abschaltens der Schrittmotoren ausgesprochen konstant. Wird Pin 3 der Pinleiste auf GND gelegt, dann ist der StepUp Wandler inaktiv (im Standby). An Pin 2 kann eine LED über einen Widerstand angeschlossen werden, die bei niedrigem Batteriestand oder wenn der StepUp Wandler inaktiv geschaltet wird, aktiv ist.

 

1.2.1 Bestellliste

Es lohnt sich bei den Widerständen mehr als 10 Stck. zu kaufen. Benötigt werden mindestens die in der Bestellliste angegebenen Bauteile. Als teuerstes „Bauteil“ schlägt der 12V/2Ah Akku zu Buche. Blei Akkus sind wesentlich günstiger, allerdings auch viel schwerer. Wenn der Roboter genügend Reserven beim Antrieb hat, wird der NiMH Akku durch einen Blei-Akku ausgetauscht.

Nr Bezugsquelle Best.-Nr. Was Anz. Einz.-Preis Ges.-Preis
1 ebay Kupferlackdraht A = 1,539qmm ca.70cm
2 ebay Akku NiMH 12V/2A 1 27,40 27,40
3 reichelt SPL 20 Kontaktbuchse 1 0,34 0,34
4 reichelt ATTINY 25-20 PU Atmel AVR-RISC-Controller, DIP-8 1 1,70 1,70
5 reichelt GS 8P IC-Sockel, 8-polig, superflach, gedreht, vergold. 1 0,16 0,16
6 reichelt LM 2575 T5,0 Spannungsregler, 1,0A, TO-220-5 (P3596L) 1 1,40 1,40
7 reichelt X7R-2,5 100N Vielschicht-Keramikkondensator 100N, 10% 1 0,04 0,04
8 reichelt Z5U-5 1,0µ Vielschicht-Keramikkondensator 1,0µ, 20% 1 0,11 0,11
9 reichelt RAD FC 470/10 Elko radial, 105°C, low ESR, RM 3,5mm 1 0,16 0,16
10 reichelt RAD 1.000/35 Elektrolytkondensator, 12,5x25mm, RM 5,0mm 2 0,13 0,26
11 reichelt RAD 1.000/63 Elektrolytkondensator, 16×31,5mm, RM 7,5mm 2 0,27 0,54
12 reichelt IRFZ 48N Leistungs-MOSFET N-Ch TO-220AB 55V 64A 1 0,60 0,60
13 reichelt MBR 1645 Schottky Diode, TO-220AC, 45V, 16A 1 0,45 0,45
14 reichelt V 5074A U-Kühlkörper, 25x18x13mm, 24K/W, Langloch 2 0,64 1,28
15 reichelt 77A 330µ High Current Funkentstördrossel, 330µ 1 0,79 0,79
16 reichelt SB 130 Schottky Diode, DO41, 30V, 1A 1 0,08 0,08
17 reichelt BC 337-40 Transistor NPN TO-92 45V 0,5A 0,625W 1 0,04 0,04
18 reichelt BC 327-40 Transistor PNP TO-92 45V 0,8A 0,625W 1 0,04 0,04
19 reichelt BC 547C Transistor NPN TO-92 45V 0,1A 0,5W 1 0,04 0,04
20 reichelt UF 4007 Ultraschnelle Gleichrichterdiode, DO41, 1000V,1A 1 0,06 0,06
21 reichelt T 106-26 Eisenpulver-Ringkern 1 1,15 1,15
22 reichelt METALL 20,0 Metallschichtwiderstand 20,0 Ohm 2 0,082 0,164
23 reichelt METALL 470 Metallschichtwiderstand 470 Ohm 2 0,082 0,164
24 reichelt METALL 1,50K Metallschichtwiderstand 1,50 K-Ohm 2 0,082 0,164
25 reichelt METALL 8,20K Metallschichtwiderstand 8,20 K-Ohm 2 0,082 0,164
26 reichelt METALL 10,0K Metallschichtwiderstand 10,0 K-Ohm 2 0,082 0,164

 

1.2.2 Schaltpläne, Platinenlayouts

Die Schaltpläne und Platinenlayouts wurden mit dem Layoutprogramm Eagle erstellt und können durch Anklicken des Bildes heruntergeladen werden.

 

1.2.3 Nachteile

Ein Problem ist beim Anstecken des Akkus an die Netzteilplatine mit allen angeschlossenen Modulen aufgetreten. Die Stromaufnahme ist so hoch, dass selbst eine träge 5A Feinsicherung sofort durchbrennt. Die Summe der Kondensatoren aller Platinen verursacht zu große Einschaltströme. Hier muss eine Lösung gefunden werden, z.B. in Form einer DC-Einschaltstrombegrenzung (siehe 1.2.4). Eine erste Notlösung ist das Aufladen der Kondensatoren des Roboters mit einem Labornetzteil (mit vorgegebenen Ausgangsstrom). Sobald die Ausgangsspannung stabil genug ist, wird auf den Akku umgeschaltet. Um das Labornetzteil nicht zu beschädigen bietet sich eine Sperrdiode an. Natürlich muss die Spannung des Labornetzteils hinter der Sperrdiode mit der Spannung des Akkus nahezu identisch sein. Nach einem ersten erfolgreichen Versuch, habe ich eine Notlösung aber auf Dauer muss die Netzteilplatine überarbeitet werden.

 

1.2.4 DC-Einschaltstrombegrenzung

In einem älteren ELV-Journal ist eine innovative und sehr einfache Einschaltstrombegrenzung für Gleichstromgeräte im Bereich von 8 bis 40 V abgebildet. Leider ist der dafür erforderliche Bausatz unter der Bestellnummer: 61884 nicht mehr lieferbar. Erfreulicherweise hat ELV das Datenblatt und den Schaltplan zum Download zur Verfügung gestellt. Nachdem ein erster Test dieser Schaltung erfolgreich war, entfällt das herumhantieren mit dem Labornetzteil (siehe 1.2.3 Nachteile). Anstelle der im Schaltplan angegebenen Zener-Diode ZPD15V wird die bei Reichelt verfügbare Zenerdiode ZD15 verwendet. Damit können alle Bauteile von Reichelt bezogen werden. Den Kühlkörper kann man sich getrost sparen. Der Hexfet wird nichtmal handwarm. Für eine höhere Stromübertragung können die Leiterbahnen auf der Platine zusätzlich mit Kupferdrähten verstärkt werden.

Nachteile dieser Einschaltstrombegrenzung wurden bisher nicht festgestellt. Es versteht sich von selbst, dass diese Einschaltstrombegrenzung in die nächsten Netzteil-Version integriert wird.

Der Schaltplan und das Layout im Eagle-Format können durch anklicken der Grafik heruntergeladen werden. Auf der linken Seite wird die Eingangsspannung, die zwischen 8V und 40V liegen darf, angelegt. Der Ausgang rechts wird direkt mit der Netzteilplatine V.2 verbunden.

Der Vollständigkeit halber hier die Bestellliste dieser Erweiterungsplatine. Wie immer lohnt es sich bei den Widerständen 10 Stck. oder mehr zu kaufen. Benötigt werden mindestens die in der Liste angegebenen Bauteile.

Nr Bezugsquelle Best.-Nr. Was Anz. Einz.-Preis Ges.-Preis
1 reichelt IRF 4905 Leistungs-MOSFET P-Ch TO-220AB 55V 74A 1 1,05 1,05
2 reichelt ZD 15 Zener-Diode 1,3W 15V 1 0,07 0,07
3 reichelt Z5U-5 1,0µ Vielschicht-Keramikkondensator 1,0µ, 20% 1 0,12 0,12
4 reichelt X7R-2,5 22N Vielschicht-Keramikkondensator 22N, 10% 1 0,05 0,05
5 reichelt METALL 100K Metallschichtwiderstand 100 K-Ohm 1 0,082 0,082
6 reichelt METALL 220K Metallschichtwiderstand 220 K-Ohm 1 0,082 0,082
7 reichelt AKL 101-02 Anschlussklemme 2-polig, RM 5,08 2 0,28 0,56
8 reichelt V 5074A U-Kühlkörper, 25x18x13mm, 24K/W, Langloch 1 0,64 0,64

 

Wird fortgesetzt…

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