1.1.1 Aufgabenstellung
Die Hauptaufgabe der Halogengruppe bestand darin eine Steuerung zu realisieren, mit deren Hilfe man die Helligkeit einer Halogenlampe steuern kann. Die Einstellung sollte dabei mithilfe von kapazitiven Tasten erfolgen, welche von einer anderen Gruppe entworfen wurden. Von dieser Gruppe erhalten wir ein kontinuierliches Helligkeitssignal zwischen 0 V und 5 V, wobei 0 V bedeuten, dass die Lampe aus sein soll und 5 V, dass die Lampe mit voller Leistung betrieben wird. Zusätzlich erhält unsere Gruppe ein Signal, welches entweder 0 V oder 5 V beträgt. Dieses Signal ist das Wecksignal. Falls 5 V anliegen, so soll die Halogenlampe langsam beginnen mit der Zeit immer heller aufzuleuchten. Das Kernstück unserer Schaltung, mit der wir die Anforderungen realisiert haben, ist eine Phasenanschnittssteurung, welche einen Triac betreibt und damit eine Sinusspannung, entsprechend gedimmt, an die Halogenlampe weitergibt.
1.1.2 Schaltung
Zu Beginn wurde festgelegt, dass die Halogenlampe mit der Wechselspannung von 24 V betrieben werden soll. Diese 24 V Wechselspannung realisieren wir, indem wir mithilfe eines Transformators die 230 V Netzspannung auf 24 V herunterregeln. Im Folgenden werden die einzelnen Teilschaltungen Schritt für Schritt erklärt und zum Abschluss die fertige Schaltung sowohl in LTSpice als auch in Eagle dargestellt.
Ausgangspunkt unsere Gesamtschaltung ist, wie bereits zuvor erwähnt, die 24 V Wechselspannung, welche wir mithilfe eines Transformators erhalten. Diese Wechselspannung wird zunächst durch einen Spannungsteiler auf ungefähr 1 V geregelt. Dieser Spannungsteiler ist in Abbildung 1 zu sehen. Das so entstehende Ausgangssignals ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 1: Spannungsteiler
Abbildung 2: 24V Wechselspannung (rot); 1V Wechselspannung (blau/Ausgang des Spannungsteilers)
Nachdem die Wechselspannung nun auf 1 V heruntergesetzt ist soll das Sinussignal gleichgerichtet werden. Die Gleichrichtung kann mithilfe von vier Dioden erfolgen. Wir haben allerdings festgestellt, dass diese Variante des Gleichrichtens das Sinussignal verzerrt und dadurch negativ beeinflusst. Aus diesem Grund wurde stattdessen ein Zweiweggleichrichter gewählt, welcher in Abbildung 3 gezeigt ist.
Abbildung 3: Zweiweggleichrichter
Der Vorteil des Zweiweggleichrichters gegenüber einer Gleichrichtung mit vier Dioden ist, dass das Sinussignal nicht verzerrt und dadurch negativ beeinflusst wird. Allerdings bedeutet diese Schaltung auch einen höheren schaltungstechnischen Aufwand. Das gleichgerichtete Sinussignal am Ausgang des Zweiweggleichrichters (rot markiert in Abbildung 3) ist in Abbildung 4 zu sehen.
Abbildung 4: gleichrichtetes Sinussignal
Im nächsten Schritt soll ein Signal erzeugt werden welches wiedergibt, wann der gleichgerichtete Sinus (und damit auch der normale Sinus) seine Nulldurchgänge hat. Da das mit einem gleichgerichteten Sinus einfacher ist, wurde der Zweiweggleichrichter benötigt. Nun wird durch einen Komparator ein Nulldurchgangsdetektor realisiert welcher wiedergibt, wann der Sinus seine Nulldurchgänge hat. Dazu wird das gleichgerichtete Sinussignal mit einer geringen Referenzspannung an einem Komparator verglichen. Die Referenzspannung wird mit einem Spannungsteiler erzeugt und beträgt hier ca. 100 mV. Die Referenzspannung liegt am Pluseingang des Nulldurchgangsdetektorkomparators an, wodurch immer wenn die Sinusspannung größer als 100 mV ist -12 V ausgegeben werden. Ist die Sinusspannung jedoch geringer, d.h. der Sinus in seinem Nulldurchlauf, so wird für kurze Zeit ein Puls ausgegeben. Die Nulldurchgangsschaltung ist in Abbildung 5 zu sehen. In Abbildung 6 sieht man welche Signale am Komparator verglichen werden.
Abbildung 5: Nulldurchgangsdetektor
Abbildung 6: Vergleichssignale am Nulldurchgangsdetektor
Damit erhält man am Ausgangs des Nulldurchgangsdetektors das folgende in Abbildung 7 zu sehende Signal.
Abbildung 7: 24V Wechselspannung (rot) und das Nulldurchgangsdetektorsignal (blau)
In Abbildung 7 kann man gut erkennen, dass vom Nulldurchgangsdetektor immer dann ein Spannungspuls ausgegeben wird, wenn das 24 V-Sinussignal seinen Nulldurchlauf hat.
Nun wird das endgültige Signal erzeugt, welches letztendlich an den Triac weitergegeben werden soll. Da das Helligkeitssignal ein kontinuierliches Signal zwischen 0-5 V ist, wird ein Komparator verwendet, um die jeweilige Helligkeitsspannung zu vergleichen. Das Vergleichssignal wird dabei durch einen RC-Tiefpass realisiert, welcher in Abbildung 8 dargestellt ist.
Abbildung 8: Realisierung der Referenzspannung für das Helligkeitssignal
Der Kondensator wird über die Zeit konstant geladen, wodurch seine Spannung stetig erhöht wird und damit die Referenzspannung auch stetig steigt. Allerdings muss der Kondensator auch nach jedem Nulldurchgang des Sinus wieder entladen werden, damit der Vergleich mit dem Helligkeitssignal erfolgen kann. Das Entladen des Kondensators wird dabei über einen npn-Transistor realisiert, welcher den Kondensator immer dann entlädt, wenn der Sinus seinen Nulldurchgang hat und damit vom Nulldurchgangsdetektor ein Puls an den npn-Transistor weitergegeben wird. Das so entstehende Kondensatorsignal/Referenzsignal ist in Abbildung 9: dargestellt.
Abbildung 9: Kondensatorsignal/Referenzsignal (blau), Nulldurchgangsdetektorsignal (rot)
Auch hier kann man sehr gut grafisch erkennen, dass der Kondensator eine stetig ansteigende Spannung aufweist und genau dann entladen wird, wenn ein Spannungspuls des Nulldurchgangsdetektors am npn-Transistor anliegt. Dadurch haben wir ein Referenzsignal erzeugt, welches in jeder Sinushalbwelle stetig von 0 V bis 5 V ansteigt und anschließend auf 0 V entladen wird.
Jetzt muss nur noch das Helligkeitssignal entsprechend angepasst werden. Die Halogenlampe soll bei 0 V ausgeschaltet sein, d.h. der Triac sollte im Nulldurchgang geschaltet werden. Das bedeutet allerdings, dass bei dem Vergleich des Helligkeitssignals mit dem Referenzsignal das Helligkeitssignal 5 V betragen muss. D.h. die 0 V müssen in 5 V umgewandelt werden. Das kann mit der Schaltung in Abbildung 10 ermöglicht werden.
Abbildung 10: Anpassung des Helligkeitssignals
Bei dieser Schaltung gilt: Je kleiner die Helligkeitsspannung (in Abbildung 10 gekennzeichnet mit {X}), desto höher ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers. In den Extremfällen gilt: Aus 0 V werden 5 V und aus 5 V werden 0 V.
Als Beispiel ist in Abbildung 11 der Ausgang des Operationsverstärkers gezeigt, für ein Helligkeitssignal von 0 V.
Abbildung 11: Ausgang des Operationsverstärkers bei einer Helligkeitsspannung von 0V
Man erkennt, dass 5 V am Ausgang anliegen und damit die Schaltung den Helligkeitswert richtig umwandelt.
Nun können das angepasste Helligkeitssignal und das Referenzsignal/Kondensatorsignal an einem Komparator verglichen werden (Abbildung 12).
Abbildung 12: Schaltung zur Erzeugung des Triacsignals
Über den Komparator werden nun, je nachdem welches Helligkeitssignals anliegt, verschiedene Pulse ausgegeben. Diese Pulse sind in Abbildung 13 zu sehen.
Abbildung 13: Triac-Spannung für verschiedene Helligkeitssignale
Man erkennt, dass je höher die Helligkeitsspannung ist, d.h. je kleiner die angepasste Helligkeitsspannung ist, desto schneller wird der Triac geschaltet. Würde man diese Pulse mit der 24 V-Wechselspannung des Transformators vergleichen, so würde man feststellen, dass der Puls für eine Helligkeitsspannung bei 0 V immer im Nulldurchgang des Sinus liegt und damit der Triac immer dann schaltet, wenn der Sinus seinen Nulldurchlauf hat, wodurch die Lampe nicht leuchtet. Je höher man die Helligkeitsspannung wählt, desto früher erfolgen die Spannungspulse und desto mehr des Sinussignals wird an die Halogenlampe weitergegeben. Dadurch hat man eine Phasenanschnittsseuerung für eine Halogenlampe realisiert.
Die Schaltung in Abbildung 14 wird dazu verwendet das Triacsignal noch entsprechend anzupassen (glätten), um dieses dann auf den Triac zu geben, welcher hier mit dem Widerstand R25 simuliert wird.
Abbildung 14: Anpassung des Triacsignals
Nun fehlt lediglich die Verarbeitung des Wecksignals, hierfür wurde die folgende Schaltung entwickelt:
Abbildung 15: Schaltung für das Wecksignal
Das Wecksignal (Abbildung 15, V8) beträgt entweder 0 V (kein Wecksignal) oder 5 V (Wecksignal). Deshalb muss zunächst erfasst werden, ob nun ein Wecksignal anliegt oder nicht. Das wird mit dem Komparator (LT 1017) gewährleistet. Dabei wird das anliegende Wecksignal mit einer Referenzspannung von ca. 2,5 V verglichen. Wenn nun das Wecksignal (5 V) anliegt, so erkennt der Komparator dieses Signal. Im Anschluss wird über einen Elko die Spannung stetig erhöht, falls ein Wecksignal anliegt, und diese Spannung über den Operationsverstärker zur Anpassung weitergeleitet und anschließend an den Komparator in Abbildung 12 (LT 1017) übergeben. Somit würde die Spannung am Operationsverstärker stetig steigen (zwischen 0 V und 5 V), wodurch das angepasste Signal stetig sinken ( von 5 V auf 0 V) und die Strompulse damit immer früher den Triac schalten würden. Dadurch werden über die Zeit immer mehr Anteile des Sinussignals an die Halogenlampe weitergeleitet.
Damit haben wir eine Schaltung realisiert, welche alle Anforderungen an unsere Schaltung erfüllt. Diese Schaltung ist in Abbildung 16 gezeigt.
Abbildung 16: Gesamtschaltung
Zur Erstellung der Platine wurde Eagle genutzt, wobei der folgende Schaltplan und das folgende Board als Vorlage dienten.
Abbildung 17: Eagle Schematic
Abbildung 18: fertiges Boardlayout
Anmerkung: Die Platine wurde auf der linken Seite nicht voll ausgenutzt, weil, bedingt durch die Anforderungen einer anderen Gruppe, die Platine um 2,5 cm kürzer sein werden sollte.
Die für die Platine benötigten Bauteile sind im Folgenden aufgeführt:
Part Value Device Package Library Sheet
C1 170n C-EU025-025X050 C025-025X050 rcl 1
C2 500n C-EU025-025X050 C025-025X050 rcl 1
C3 100n C-EU050-024X044 C050-024X044 rcl 1
C4 100n C-EU050-024X044 C050-024X044 rcl 1
C5 100n C-EU050-024X044 C050-024X044 rcl 1
C7 100n C-EU050-024X044 C050-024X044 rcl 1
D1 1N4446 1N4446 DO35-10 diode 1
D2 1N4446 1N4446 DO35-10 diode 1
D3 1N5819-B 1N5819-B DO41-7.6 diode 1
D4 5.7 ZENER-DIODEDO35Z10 DO35Z10 diode 1
D5 1N4446 1N4446 DO35-10 diode 1
D6 1N4446 1N4446 DO35-10 diode 1
IC1 TL074P TL074P DIL14 linear 1
IC2 LM393N LM393N DIL08 linear 1
IC3 LM393N LM393N DIL08 linear 1
J1 VG64P VG64P 19inch 1
Q1 BC557C BC557C TO92-EBC transistor-pnp 1
R1 12k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R2 470 R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R3 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R4 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R5 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R6 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R7 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R8 40k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R9 110k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R10 1k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R11 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R12 2.5k R-TRIMMT93YA RTRIMT93YA rcl 1
R13 20k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R14 20k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R15 20 R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R16 7k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R17 2.2k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R18 200 R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R19 24k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R20 1k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R21 200k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R22 5k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R23 1k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1
R25 100k R-TRIMMT93YA RTRIMT93YA rcl 1
R26 9.49k R-TRIMMT93YA RTRIMT93YA rcl 1
T1 BC547B-NPN-TO92-CBE TO92-CBE transistor 1
T3 BTA140 BTA140 TO220DS triac_neu 1
X1 KK-156-3 KK-156-3 con-molex 1
erstellt von Marco, Christina, Alexander