4. Energieversorgung

Letztes Update: 06.01.2002


Bild 4-1: Lauffähiges Muster auf einer Experimentierplatine

4.1 Akkulader

Das Laden der Akkus wird mit dem IC TEA1101, bzw. TEA1102 von Philips erledigt. Da im gesamten System nur eine gemeinsame Masse existiert, wurde die Standardschaltung etwas modifiziert. Der Stromsensor wurde vom Masseweg in den Akkuweg gelegt und die erforderliche Spannung durch einen Differnzverstärker wieder dem IC zugeführt. Das ganze hat den zusätzlichen Vorteil, das das Signal gleich als Ladestrom dem ADC zur Verfügung steht. Um die Spannungsquelle nicht unnötig zu belasten, wird der Ladestrom auf 500 mA begrenzt, da eine Schnellladung bei einem Langzeitbetrieb sowieso nicht allzuviel Sinn macht. Die Erhaltungsladung besteht aus einem 40ms Breiten Stromimpuls von 180 mA alle 860 ms.

Bild 4-2

Da eine volle Ladung ca. 10 Stunden dauert, muß für T1 ein kleiner Kühlkörper spendiert werden. Der Ladestrombestimmende Widerstand ist R1. Für höhere Ladeströme wird er verkleinert und für größere Ladeströme vergrößert.

Der TEA1101 hat eine maximale Betriebsspannung von 10,5 Volt. Da die Versorgungsspannung aber bei 12 Volt liegt, muß ein Spannungsregler eingesetzt werden. Bei der Schaltung von WUDU1 wurde dafür ein 78L08 benutzt. Im Laufe des Betriebes ist er jedoch 3 mal in den Halbleiterhimmel gegangen. Deshalb wird hier eine Stabilisierung nach dem herkömmlichen Prinzip mit einer Zener-Diode und einem NPN Transistor eingesetzt.

Die Zenerspannung ist definiert bei einem Strom von 5mA. Der Regler wird hier durch R3 mit 4mA betrieben, so das sich eine Zenerspannung von ca. 8,7 Volt einstellt. Abzüglich der C-E Spannung von T3 ergibt sich dann eine stabilisierte Spannung von 8 bis 8,1 Volt.

IC2a bildet den Differenzverstärker zur Ladestrommessung. Er besitzt eine Verstärkung von 1 und liefert deshalb eine Ausgangsspannung von Ua = ILade * R10. Ua [V] = I [A] * R10 = 0,5A * 0,22 Ohm = 0,11 Volt. Um diese Spannung an den Aussteuerbereich des ADC anzupassen (4,096V) wird das Signal in IC2b noch um den Faktor 16 verstärkt. Ua = 0,11 * 16 = 1,76 Volt. Etwas Sicherheit wurde für den Fall gelassen, um den Ladestrom eventuell doch noch etwas zu erhöhen. Seine Grenze kann dann bei 1,16 A liegen. Wird noch mehr Ladestrom benötigt, muß der Verstärkungsfaktor durch Verkleinerung von R18 heruntergesetzt werden.

Die maximale Ladespannung liegt bei ungefähr 9,5 Volt. Um die messen zu können wird die Akkuspannung durch einen Spannungsteiler geschickt (R11/R12) und durch IC2c entkoppelt.

Die Schaltung ist so berechnet, das für die Erhaltungsladung alle 910ms ein Ladeimpuls von 42ms erzeugt wird. Das entspricht einem Tastverhältnis von 4.4% und damit einen Erhaltungsladestrom von ca. 22mA.

4.2 USV

Die USV wird benötigt, um Unterbrechungen der externen Versorgungsspannung zu überbrücken. Bei einem geschätzten Strombedarf (ohne Heizung) von ca. 500 mA kann mit einer Akkukapazität von 5000 mAh ca. 10 Stunden der Betrieb aufrecht erhalten werden.

Bild 4-3

Im normalen Betrieb liegen an Ub1 eine externe Spannung von +12V und an Bat1-P die Akkuspannung von ca. 8,5V an. IC6a ist als Komparator geschaltet. Der negative Eingang ist größer als die Referenzspannung, so das durch die beiden Inverter IC7a der Speicher IC8 gelöscht wird. Fällt Ub1 aus, bzw. ist kleiner als 4,3V dann ist der positive Eingang von IC6a größer als der negative Eingang und der Ausgang schaltet durch. Gleichzeitig wechselt der Eingang von IC7d seinen Pegel von Low nach High und gibt den Ausgang von IC8 frei, der im Normalfall Highpegel führt, weil er durch IC7a resetet wurde. Da beide Eingänge von IC7d jetzt Highpegel führen liegt am Ausgang Lowpegel und T5 ist Durchgeschaltet. Die Akkuspannung liegt jetzt am Ausgang Ub. Kehrt jetzt die externe Spannung Ub1 zurück wird IC7d gesperrt und dadurch T4 dichtgemacht. Für den MOSFET T4 ist kein Kühlkörper notwendig. Er besitzt einen Durchschaltwiderstand von  Ron = 0,3 Ohm, so das kaum Verlustleistung auftritt: bei einem maximalen Strom von 1A beträgt sie P = Ron * I2 = 0,3 * 1 = 300mW. Das kann locker über das Gehäuse abgeführt werden, besonders da im Betrieb die Verlustleistung nur 60mW beträgt und beim Betrieb mit Heizung (also nur im Winter) ist es im Gehäuse sowieso ziemlich kalt.

4.3 Unterspannungsschutz

Der Unterspannungsschutz ist notwendig, weil der Akku die Eigenschaft hat, das seine Leerlaufspannung höher ist als seine Betriebsspannung unter Last. Wenn also der Akku kurz vor dem absoluten Leer steht, muß er von der Station getrennt werden, damit es nicht zu einer Teifentladung und damit eventuell zu einer Schädigung kommen kann. Wird aber die Last weggeschaltet, steigt die Akkuspannung sofort wieder, so das die Schwellspannung des Komparators IC6b wieder unterschritten wird und der Akku wird wieder mit der Station verbunden. Es erfolgt also ein mehr oder weniger häufiges Aus- und Einschalten der Wetterstation. So etwas ist nie Gesund. Deshalb wird beim ersten Erkennen der Unterspannung der Wechsel des Komparators von Low- nach Highpegel auf den Takteingang des D-Flip-Flops IC8 gegeben. Der D-Eingang liegt dauerhaft auf Highpegel und wird gespeichert. Der Ausgang wechselt jetzt von High- nach Lowpegel und sperrt das Gatter IC7d. T5 macht dicht und trennt dadurch den Akku vom Ausgang Ub. Dadurch, das dieser Wechsel gespeichert wurde, wird jeder weitere Wechsel ignoriert. Der Ausgang ist dauerhaft vom Akku getrennt. Ab jetzt ist die Wetterstation entgültig ohne Strom. Kehrt die externe Spannung zurück dann schaltet T4 wieder durch und der Speicher wird über den Reset-Eingang für die nächste Abschalterkennung gelöscht. Die Kurzschlußbrücke J2 dient dazu, den Unterspannungschutz auszuschalten, wenn die Station ohne Akku betrieben wird.

Zwei Fälle werden hier nicht berücksichtigt:

1. Bei einem Betrieb ohne Akku wird ein ständiges Aus- und Einschalten der Versorgungsspannung auch die Wetterstation ständig Aus- und Eingeschaltet.

2. Bei einem Betrieb mit leerem Akku wird ein ständiges Aus- und Einschalten der Versorgungsspannung auch die Wetterstation ständig Aus- und Eingeschaltet.

Das ganze ließe sich nur verhindern, wenn eine Zeitschaltung bei einem Spannungsausfall für eine begrenzte Blockierung der USV sorgen würde.

4.4 Referenzspannungen

Für die Wetterstation werden zwei verschiedene Referenzspannungen benötigt. 2,5Volt für einige Meßverstärker und 4,096Volt für die ADC's. Bei einer ADC Auflösung von 12 Bit ergibt das dann eine Spannungsauflösung von 1mV/Bit.

Bild 4-4

Eingesetzt werden hier Standard Referenzquellen die durch jeweils einen OP gepuffert werden.

4.5 Negative Spannung

Im Normalfall wird die gesamte Elektronik so konstruiert, das nur eine einzige Versogungsspannung von +5V benötigt wird. Sollte doch einmal eine negative Spannung benötigt werden, so kann sie am besten durch eine Ladungspumpe (z.B mit dem ICL7660) direkt auf der Platine erzeugt werden. Diese Ladungspumpe kann jedoch nur 1 bis 3 mA Strom liefern, wird mehr Energie benötigt, wird sie durch diesen Schaltregler erzeugt. Es ist eine Standardanwendung des altbekannten TL497 und kann bis 80mA liefern. Es ist jedoch zu beachten, das ein Schaltregler immer sehr viel Störungen auf der Versorgungsspannung erzeugt, die um so größer wird, je größer die Last ist. Bei den Anwendungen in dieser Station sollte das aber als unkritisch angesehen werden, da dies zum einen hochfrequente Störungen sind und zum anderen in der Software eine zusätzliche Mittelwertbildung durchgeführt wird.

Bild 4-5

Bild 4-6: Wirkungsgrad der negativen Spannung Ubm in Abhängigkeit von Ub

4.6 Strom und Spannungsmessung

Diese Werte gehören zu den Betriebsparametern. Die Strom- und Spannungsmessung von Ub dient zur reinen Überwachung und die Strom- und Spannungsmessung der Akkus kann zur Kapazitätberechnung herangezogen werden, um rechtzeitig zu entscheiden, wann diese Ausgewechselt werden müssen. Das setzt jedoch voraus, das die Station ab und zu auf Akkubetrieb umgeschaltet wird um einige Ladezyklen beurteilen zu können.

Bild 4-7

Die Schaltung entspricht genau der Schaltung aus Bild 4-1. Der Widerstand für die Messung des Versorgungsstroms ist R29 aus Bild 4-2.

Achtung: Bei dem Stromverstärker handelt es sich nicht um einen Instrumentationsverstärker, sondern nur um einen Differenzverstärker, d.h. die Gleichtaktunterdrückung ist sehr stark von der Übereinstimmung der Widerstände abhängig. R31 und R33 sollten so genau wie möglich übereinstimmen. Lieber ein paar mehr davon anschaffen und mit einem Ohmmeter die beiden heraussuchen, die am genauesten übereinstimmen. Die Abweichung sollte kleiner als 1000 Ohm sein. Je kleiner je besser. Fast das gleiche gilt für R30 und R31. Da der untere Arbeitsbereich des LTC274 erst bei 20 bis 30 mV anfängt zu arbeiten, muß R32 um etwa 1% größer sein als R30. Der Grundstrombedarf (ca. 20mA) sollte dann ein Ausgangssignal von ungefähr 40 bis 60 mV betragen.

Kalibrierung

Für die Kalibrierung wird nur ein genaues Multimeter benötigt. 4½stellig muß es schon sein, denn es sollte mindestens über die gleiche Auflösung wie der ADC der Wetterstation verfügen, also 1mV/Bit. Da es sich bei der Elektronik um lineare Verstärker handelt, reicht eine Zwei-Punk-Kalibrierung für eine lineare Gleichung (Y = A * X + B) aus. Aus den zu messenden Punkten x1,y1 und x2,y2 können dann nach den Gleichungen der Linearen Regression die beiden Parameter A und B berechnet werden. Diese beiden Parameter werden dann in das Programm eingegeben um aus den Spannungen des ADC die physikalischen Parameter in Spannung und Strom anzuzeigen.

Spannung Hauptenergie

Messung 1

Es sollte eine Spannung >= 5 Volt gewählt werden, da die Elektronik erst ab 5 Volt funktioniert. Am einfachsten ist es den Akku anzuschliessen. Er muß nicht unbedingt voll geladen sein. Eine Spannung von 7 Volt (bei leerem Akku) reicht völlig aus. Die Spannung am Akku wird als Umb00 notiert. Die Spannung am Ausgang von IC2c wird als Umb01 notiert.

Messung 2

Die Hauptversorgungsspannung ist anzuschliessen. Die Spannung der Hauptversorgung ist als Umb10 zu notieren und die Spannung am Ausgang von IC2c ist als Umb11 zu notieren.

Berechnung

Lineare Gleichung: I [mA] = A * U [mV] + B

U [mV] ist die Spannung, die am Ausgang von IC2c anliegt und die Bezeichnung U-ba hat.

Berechnung von A: A = (Umb01 - Umb00) / (Umb11 - Umb10)

Berechnung von B: B = Umb11 - A * Umb01  oder  B = Umb10 - A * Umb00

Kontrolle

Das ganze sollte ungefähr mit dem Wert übereinstimmen, der sich aus der Berechnung der Elektronik ergibt.

R36 und R37 bilden einen Spannungsteiler und IC2c hat die Verstärkung von 1, da er nur als Spannungsfolger geschaltet ist.

Bei einer Spannung von 12V müßte sich also am Ausgang U-ba eine Spannung von U-ba = Ub [mV] * R37 / (R36 + R37) = 12 * 100k / (390k + 100k) = 2449 Einstellen. Vernachlässigt man den Offset B, dann ist ein ungefährer Richtwert für A = 2,45.

Werte

Ubat = 9,17V, Ua = 2932mV

A = 0.003127557, B = 0

Strom Hauptenergie

Unabhängig von der Elektronik für die Sensoren besitzt die Wetterstation eine Grundlast die durch die Schaltung der Energieversorgung verursacht wird. Der Akku darf dabei nicht angeschlossen werden, weil sein Strom extra gemessen wird (Strom Notenergie). Da die Ausgangsspannung an I-ba linear mit dem Strom steigt, reicht eine Zweipunktkalibrierung aus.

Messung 1 - Nullpunkt Strom

Am Ausgang Ub darf sich keine Last befinden. Der Schaltregler sollte nicht im Betrieb sein (IC4 entfernen), da er als normale Last an Ub betrieben wird. Das Amperemeter ist in die Leitung Ub1 zu schalten. Der Stromwert wird notiert als Imb0 in mA.

Messung 2 - Endpunkt Strom

Der maximale Strom wurde mit ca.1.3 Ampere definiert. Als Endpunkt bei 12Volt wird deshalb durch einen Lastwiderstand ein Strom von ca. 1A eingestellt. R = U / I = 12V / 1A = 12 Ohm. Ein Lastwiderstand von 12 Ohm wird an Ub angeschlossen und der Stromwert als Imb1 in mA notiert. Der Widerstand sollte schon ein Leistungswiderstand sein, damit er sich nicht sofort in Rauch auflöst. Da der eigentliche Meßvorgang nur sehr Kurz ist, sollte eine Leistung von größer 4 Watt ausreichen.

Messung 3 - Nullpunkt Spannung

Der Lastwiderstand ist zu entfernen. Das Amperemeter ist zu entfernen. Die Spannung an I-ba ist zu messen und wird als Umb0 in mV notiert.

Messung 4 - Endpunkt Spannung

Der Lastwiderstand wird angeschlossen, die Spannung an I-ba gemessen und der Wert als Umb1 in mV notiert.

Berechnung

Lineare Gleichung: I [mA] = A * U [mV] + B

U [mV] ist die Spannung, die am Ausgang von IC3a anliegt und die Bezeichnung I-ba hat.

Berechnung von A: A = (Imb1 - Imb0) / (Umb1 - Umb0)

Berechnung von B: B = Imb1 - A * Umb1  oder  B = Imb0 - A * Umb0

Kontrolle

Das ganze sollte ungefähr mit dem Wert übereinstimmen, der sich aus der Berechnung der Elektronik ergibt.

Der Meßwiderstand R29 hat einen Wert von 100mOhm.

Die Verstärkung von IC3b liegt bei 1,5.

Die Verstärkung von IC3a liegt bei 19.

Bei einem Strom von 1000mA müßte sich also am Ausgang I-ba eine Spannung von Umb1 = 1000mA * 0.1 Ohm * 1.5 * 19 = 2850mV Einstellen. Vernachlässigt man den Offset B, dann ist ein ungefährer Richtwert für A = 2,85.

Werte
I [mA] U [mV] Berechnet [mA] Abweichung [mA]
20 939 20 0
102 1177 104 2
135 1262 134 -1
297 1718 295 -2
390 1994 392 +2

A = 0.352380, B = -310.874939, berechnet durch lineare Regression.

Im kalibrierten Bereich bis 400mA beträgt die Abweichung +/- 2mA. Das ergibt einen Absoluten Meßfehler von +/- 0.5%.

Spannung Notenergie

Messung 1

Die Hauptspannung wird entfernt. IC1 wird aus der Fassung genommen. Der Akku wird angeschlossen und die Spannung am Akku als Umb00 notiert.

Messung 2

Die Spannung am Ausgang von IC2d wird als Umb01 notiert.

Messung 3

Der Akku wird entfernt. IC1 wird wieder in die Fassung gesteckt. Die Hauptspannung wird angeschlossen und der Akku wird angeschlossen. Jetzt sollte der fast vollständig geladen werden, um den größten Spannungswert zu erfassen. Wenn die Spannung bei ca. 9.2V angekommen ist, wird der Wert als Umb10 notiert.

Messung 4

Die Spannung am Ausgang von IC2d wird als Umb11 notiert.

Berechnung

Lineare Gleichung: I [mA] = A * U [mV] + B

U [mV] ist die Spannung, die am Ausgang von IC2d anliegt und die Bezeichnung U-Bat1 hat.

Berechnung von A: A = (Umb01 - Umb00) / (Umb11 - Umb10)

Berechnung von B: B = Umb11 - A * Umb01  oder  B = Umb10 - A * Umb00

Kontrolle

Das ganze sollte ungefähr mit dem Wert übereinstimmen, der sich aus der Berechnung der Elektronik ergibt.

R11 und R12 bilden einen Spannungsteiler und IC2d hat die Verstärkung von 1, da er nur als Spannungsfolger geschaltet ist.

Bei einem Spannung von 8V müßte sich also am Ausgang U-Bat1 eine Spannung von U-Bat1 = UAkku [mV] * R12 / (R11 + R12) = 8 * 47k / (47k + 100k) = 2558 Einstellen. Vernachlässigt man den Offset B, dann ist ein ungefährer Richtwert für A = 2,56.

Werte

11.74V, 2400mV

8.59V, 1753mV

A = 0.00486862, B = 0,05530139

Strom Notenergie

Für den Akkustrom gibt es zwei unterschiedliche Meßzustände. Zustand 1 bezeichnet den Ladestrom und Zustand 2 den Strom für die Erhaltungsladung. Der Ladestrom ist einfach zu bestimmen, da er über den gesamten Ladevorgang vorhanden ist. Bei der Erhaltungsladung besteht er jedoch nur aus Stromimpulsen. Bei den verwendeten Bauelementen besteht er aus einem Impuls von 180mA für 40ms alle 860ms. Das gibt eine Mittelwert von 21.5% = 38,7 mA. Dieser Wert  kann nach der Kalibrierung mit einem Oszi am Ausgang von IC2b aufgenommen werden. Da die Kalibrierung am besten im Ladebetrieb durchgeführt wird, ist für eine Zweipunktkalibrierung ein Eingriff in die Elektronik notwendig.

Messung 1

Messung 2

Messung 3

Messung 4

Berechnung

Kontrolle

Alle Parameter sollte immer mit 6 Stellen nach dem Komma angegeben werden. Es gibt noch genug Ecken, an denen man ungenau werden kann.

Werte

2143mV, 314,3mA

2926mV, 540mA

A = 0,288250, B = -303,420434

4.7 Gehäusetempertaur

Dieser Sensor mißt die Temperatur im Gehäuse. Sie wird für die Heizung benötigt, die durch die CPU Ein- und Ausgeschaltet wird um die Temperatur immer über mindestens 5°C zu halten.

Bild 4-8

Die Grundschaltung besteht aus einem Subtrahierer (IC10b). Der untere Meßbereich beginnt bei -25°C. Das entspricht einer Spannung von  ca. 2.5V. Diese Spannung wird von dem Temperatursignal UT abgezogen. Die gesamte Schaltung hat eine Verstärkung von 3,9, so das der Temperaturwert von 75°C auf ca. 4V Ausgangsspannung angehoben wird. Auch hier ist wieder darauf zu achten, das die Werte von R40 und R42, sowie R42 und R43 möglichst genau übereinstimmen.

4.8 Steckerbelegung

a

c

Bemerkung
GND
Ub1
Bat1-P
Ub
GND
Ub
Uref1
Uref2
Ubm
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GND
Ub1
Bat1-P
Ub
GND
Ub
Uref1
Uref2
Ubm
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U-T1
I-ba
U-ba
U-Bat1
I-Bat1
Systemmasse und Masse Analog
Eingang Externe Spannung 8 bis 15 Volt DC
Eingang Akkuspannung
Ausgang Gepufferte Spannung, Analog
Masse, Digital
Ausgang Gepufferte Spannung, Digital
Ausgang Referenzspannung 1 = 4,096 Volt
Ausgang Referenzspannung 2 = 2,500 Volt
Ausgang Negative Spannung -5 Volt
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Ausgang Gehäusetemperatur
Ausgang Hauptstrom Ib
Ausgang Hauptspannung Ub
Ausgang Akkuspannung Ubat
Ausgang Akkuladestrom Ibat

4.9 Schaltplan und Layout

Schaltplan 1

Schaltplan 2

Layout

4.10 Stückliste