Kopf Elektronik Elektronik: Geigerzähler - Stromsenke - Gammaspektrometer

Elektronische Last

Eine elektronische Last ist, besonders für einen Elektromodellflieger, ein sehr interessantes Projekt. Es finden sich zahlreiche Schaltungsideen über die einschlägigen Suchmaschinen und so habe ich eine Idee aus dem Mikrocontroller-Forum aufgegriffen. Diese basiert wiederum auf einer vom ELV veröffentlichen Grundschaltung. Diese Schaltung umfasst allerdings nur den Leistungsteil mit einer manuellen Steuerung über ein Poti. Da ich aber ein LCD und eine USB Schnittstelle haben wollte musste noch ein Atmel AVR hinzukommen. Im Laufe der Schaltungsentwicklung ist dann nicht mehr viel von der ELV Idee übrig geblieben...

Prototyp (2009)

Zuerst habe ich weitgehend den Lastteil nach der ELV Idee nachgebaut und die Strom- und Spannungsmessung mit einem Atmel AVR durchgeführt.
Die Einstellung des Laststroms erfolgt hier noch sehr grob mit einem Trimmer.

Stromsenke - elektronische Last

Der Mikrocontroller-Teil ist auf einem Breadboard realisiert und hat noch geringe Funktionalität.

Stromsenke - elektronische Last

Immerhin konnte ich mich auf diese Weise an die analoge Schaltung des Lastteils heran arbeiten und zusehen, dass der Regelkreis mit dem Operationsverstärker nicht zu schwingen anfängt. Dies würde entweder den FET oder den OpAmp zerstören (oder auch beide).

Zweiter Prototyp (2009)

Die serielle Schnittstelle auf dem Breadboard zu realisieren war mir dann doch zu umständlich. Daher habe ich den AVR Teil auf eine Olimex Platine ausgelagert. Um höhere Ströme zu ermöglichen habe ich einen größeren Kühlkörper eingesetzt und die Shunts wurden auch verbessert und an den Kühlkörper verlegt.

Stromsenke - elektronische Last

Der Trimmer wurde durch ein 10-Gang Potentiometer ersetzt um eine bessere Einstellung des Laststroms zu ermöglichen.

Stromsenke - elektronische Last

Dritter Prototyp (2010)

Der bisherige Aufbau hatte noch den gravierenden Nachteil, dass der Laststrom manuell eingestellt werden musste. Außerdem war die FET-Platine derweil böse verbastelt, weil ich die Schaltung mehrfach modifiziert hatte.
Um flugmodellbautypische Ströme und Leistungen realisieren zu können war ein FET ganz klar unzureichend. Meine Vorstellung ging in Richtung 40A und mehr als 500W, daher habe ich ein neues Konzept angestrebt. Es wurde eine Platine für den Leistungsteil entwickelt auf der ein Operationsverstärker, Shunt und FET einen Regelkreis bilden, der über ein 12bit-DAC (MCP4822) am AVR mit einer Steuerspannung versorgt wird. Als FET kommt ein IRF2203 zum Einsatz, der OpAmp ist ein TLC2201 und der Shunt (0,1 Ohm) ist aus Manganindraht selber hergestellt. Auf diese Weise sollte jedes Lastmodul 10A und über 100W verarbeiten können. An dem Shunt fällt dan 1V ab und kann direkt zur Regelung verwendet werden.
Dies hat den Nachteil, dass am Shunt auch einige Watt Leistung anfallen und er besser mit im Luftstrom der Lüfters sein sollte.

Das Controllerboard ist wieder auf das Breadboard gewandert, weil die serielle Schnittstelle weniger wichtig war. Erstmal ging es darum eine Benutzerschnittstelle mit Drehencoder und LCD bereitzustellen.
Dieser Aufbau konnte problemlos 3s LiPos mit 10A entladen (nicht mit dem kleinem Kühlkörper auf dem Bild).

Erste Betriebsversion (2013)

Nachdem sich der Lastteil bewährt hatte und die Software für die Kontrolleinheit alpha-Status erreicht hatte, wurde es Zeit diese auch auf eine eigene Platine zu bringen.
Dabei habe ich auf der Lötseite noch einen USB-Wandler untergebracht und kann die Messwerte so auf dem PC aufzeichnen und die Stromsenke über die serielle Schnittstelle steuern.
Die Kontrolleinheit ist für die Ansteuerung von maximal 4 Lastteilen ausgelegt, wobei alle vier Einheiten den gleichen Steuerstrom erhalten und Strom- und Spannung jeweils getrennt gemessen werden.
So werden alle 8 ADC Kanäle des AVR verwendet.

Da dieser Aufbau recht zuverlässig funktioniert hat und ich wenig Zeit für weitere Verbesserungen hatte wurde alles vorerst auf einem Brett montiert und in dieser Form eingesetzt.

Revision 2 (2015)

Die bisherige Version hat einige Nachteile, welche ich gerne beseitigen möchte. Dies sind im Besonderen:

Durch die Verwendung des internen ADC des Atmel AVR habe ich nur 10bit Auflösung. Dies ist für Innenwiderstandsmessungen ungenügend.
Der Spannungsabfall und die damit verbundene Verlustleistung am 0,1 Ohm Shunt ist bei 10A einfach zu hoch.

Daher soll nun ein MCP3208 12bit ADC zum Einsatz kommen. Der USB Chip wird von der Platine entfernt um genügend Platz zu haben, da ich weiterhin die kostenlose Version von Eagle verwenden möchte.
Es wird nur ein Pinheader verbaut und eines der vielen billigen Interface-Module aus der Bucht verwendet. Da ich mir derweil einen JTAGice3 zugelegt habe soll auch die JTAG Schnittstelle verfügbar werden.

Auf dem Lastteil kommt ein Isabellenhütten 10mR Shunt zum Einsatz. Dieser ist sehr genau und benötigt keine Kühlung.

Dies erfordert aber die Verwendung eines Dual-OpAmps um eine Verstärkung des Spannungsabfalls zu ermöglichen.
Um dies zu entwickeln habe ich LTspice verwendet und dabei einiges über Stabilitätsprobleme bei Operationsverstärkern gelernt.
Die aktuelle Schaltung hat nun nichts mehr mit der ELV Grundidee gemeinsam.
Stromsenke MOSFET elektronische Last

Da ich derweil auch über ein Oszilloskop verfüge wird nun im nächstem Schritt die Auslegung auf dem Breadboard geprüft und dann auch einer Platine verwirklicht. Ich habe bevorzugt OpAmps von Linear verwendet, weil hierfür die Modelle in LTspice vorhanden sind. Dazu noch ein paar die vorhanden waren und dann habe ich gezielt nach rail-to-rail OpAmps gesucht, mit möglichst geringer Offset-Spannung und nicht zu hohem Preis.

OpAmp	Rigol DS1074z Screenshot Aufbau ohne R2 und C3 (ADC Filter)	LTspice Simulation
LM358 Den habe ich nur mal so zum Spaß in das Breadboard gesteckt. Wirklich in Frage kommt der Typ nicht.
LT1366
LT1490
LTC1047 Chopper OpAmp mit sehr niedriger Offset Spannung. War vorhanden ist aber nicht geeignet, da er schwingt.
LTC1051 Chopper OpAmp, war vorhanden. Zu teuer und regelt auch nicht schön.
MCP617 Preisgünstiger rail-to-rail OpAmp. Hat starke Überschwinger.
MCP6022 Etwas teurer als der MCP617, aber immer noch günstig. Arbeitet sehr gut in dieser Schaltung und wird verwendet!
OPA2340 Funktioniert gut, ist aber sehr teuer. Wurde nur getestet, weil ich ein Sample hatte.

Ups...

Neue Platinen für den Lastteil

Im nächsten Schritt wurde eine Platine für den Lastteil ertsellt

Leider ist das Layout nicht sehr schlau, da der Shunt den Weg zur Schraube für den MOSFET versperrt.

Neue Kontrolleinheit

Und eine neue Kontrolleinheit mit Platine

Das Problem mit der Kühlkörpermontage wurde mit einer neuem Platine behoben

Als Kühlkörper kommen AMD Prozessorkühler zum Einsatz

2016

Es gibt einige neue Überlegungen. So wird nach Erstaz für die sehr teuren Isabellenhütte-Shunts gesucht.

Statt einzelner Kühlkörper gibt es jetzt eine Kupferplatte für die MOSFETs, die wiederum auf einem Kühlkörper mit Lüfter montiert ist.
So kann man mit einem Sensor die Temperatur messen und alle FETs sind gleich warm.
Es wird keine Isolierung verwendet um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten, dadurch liegt am Kühlkörper die positive Quellspannung an.

Ein FET hat zu Testzwecken noch ein Pt100 aufgeklebt bekommen.

Dank meiner neuen FLIR one kann man die Qualen des MOSFET in Echtzeit betrachten.

Ausbaustufe 2016 Einsatzbereit

Hier ein paar Bilder vom Aufbau mit der fünften Revision der Lastplatine, einem neuen Kühlkörper und kleinen Änderungen.
In dieser Form ist die elektronische Last seit 2018 bis heute (Ende 2018) im Einsatz. Ein Gehäuse hätte sie verdient :-)
Ich bin bei den Isabellenhütten-Shunts geblieben, da sie einfach am besten funktionieren.

Die Grundplatte hat auch schon einige Revisionen erlebt und wurde immerhin frisch lackiert...

Schaltpläne

Hier sind auch die Eagle-Dateien:

Schaltplan Leistungsteil
Schaltplan Steuerplatine
Layout Leistungsteil
Layout Steuerplatine

Die Software steht nicht zum Download, dies liegt nicht zuletzt am verbesserungwürdigen Programmierstil.
Da aber nur Standardbausteile verwendet wurden, für die Datenblätter einfach verfügbar sind, dürfte die Erstellung einer eigenen Software keine große Hürde sein.

Änderungen in 2018

Die Pinbelegung der RS-232 Buchse wurde so geändert, dass ich ein OpenLog-Modul aufstecken kann um die Entladekurven aufzuzeichnen.
Zusätzlich habe ich einen Abgleich im untersten Strombereich durchgeführt um auch dort arbeiten zu können. Nun geht es bei 50 mA los.
Da im untersten Bereich jedes Bit vom 12bit DAC und ADC relevant ist, habe ich sechs Abgleichpunkte im Bereich 50 bis 500 mA erstellt.

Auf diese Weise konnte ich die eigentlich zum Modellflug-LiPo testen gedachte Stromsenke auch verwenden um einen einzelne NCR18650B Li-Ion-Zelle
zu testen. Das sollte mit möglichst geringem Strom passieren um die Lauftzeit meines Geigerzähler-Loggers abschätzen zu können. Am Diagramm
kann man deutlich erkennen, dass dies an der Grenze des Machbaren mit diesem Aufbau ist und die Genauigkeit im untersten Strombereich nicht überragend ist.