Die Untergruppe, bestehend aus Francky und Jojo, beschäftigt sich mit dem Akkubetrieb des Spiels. Sie entwerfen die Ladeschaltung und den Tiefenentladeschutz, wählen den zu verwendenden Akku und das Netzteil aus und sorgen dafür, dass zwischen Netz- und Akkubetrieb umgeschaltet werden kann.

Was haben Francky und Jojo uns zu sagen?

Wir haben die Ladeschaltung entworfen. Zuerst wollten wir sowohl die Strom- als auch die Spannungsbegrenzung mit dem LM317 IC umsetzen. Da an diesem IC allerdings mindestens 3V abfallen, haben wir uns dafür entschieden einen der beiden einzusparen und benutzen deshalb für die Strombegrenzung eine alternative Schaltung mit dem npn-Transistor BC547. Dadurch reichen uns die 18,5V des Netzteils vollkommen aus. Der IC in dieser Schaltung sollte zusätzlich gekühlt werden. Die Spannung sollte zum Laden des Akkus auf 13,8V und der Strom auf etwas unter 1A begrenzt werden. Nachdem wir uns einige Zeit mit dem Überladeschutz auseinandergesetzt hatten, wurden wir darauf hingewiesen, dass wir ihn nicht benötigen. Dieser Schutz sollte den Akku eigentlich vom Netz trennen, sobald er voll ist. Der Bleiakku kann allerdings durchgehend angeschlossen bleiben, weil er durch unsere Ladeelektronik bei Vollladung nur noch langsam weiterlädt. Deswegen und weil der Bleiakku dahingehend robust ist, stellt dies kein Problem dar.

Die beiden Kondensatoren vor dem IC sorgen dafür, dass ungewünschte Wechselanteile herausgefiltert werden. Diode D1 schützt den IC vor einem Strom in Rückwärtsrichtung, der Schaden anrichten würde. Diode D2 ist der Schutz vor Verpolung.

Während der Akku geladen wird, erhöht sich der Strom durch R1 an der Basis von Q1. Dadurch ändert sich die Leitfähigkeit des Transistors. Da der Kollektor mit dem Adjustment Pin des IC verbunden ist, erhöht sich dessen Ausgangsspannung.

Sobald der Akku voll geladen ist, sinkt der Ausgangsstrom wieder und der Akku verbleibt in Erhaltungsladung (trickle charging mode). Strom und Spannung müssen begrenzt werden, da der Akku, aufgrund des Problems der Gasung bei Bleiakkus, nicht überladen werden darf.

Der maximale Strom beträgt I = 882 mA. Bei der Simulation in LTSpice konnte man erkennnen, dass die Strombegrenzung funktioniert. Die gewünschte Spannung kann über das Potentiometer U2 eingestellt werden.

Tiefenentaldeschutz:

Bei dem Tiefenentaldungsschutz des Akku wird eine aus Widerstände, Kondensatoren, Dioden Transistor, Relais und integriere Schaltungen bestehende Schaltung verwendet. Hier wird eine kritische Unterspannung von 10.8V bei der unsere Schaltung vom Akku getrennt wird, eingestellt.

Die Einstellung erfolgt durch das Drehen von TR1 entgegen des Uhrzeigersinns bis 5V erreicht ist. Dann wird eine Spannung von 10.8V am Eingang der Schaltung angelegt und dann B1 gedrückt halten, bis die LED leuchtet und ein Klicken am Relais gehört wird.

Das Heißt wenn eine Spannung kleiner bzw. größer als 10.8V an dem Akku anliegt, vergleicht der Komparator die Spannung am Akku mit der, die über R6, TR1, R5, R4, R3, R7 abfällt. Wenn sie kleiner ist dann leitet Q1, leuchtet die LED und Schaltet das Relais aus. Somit wird der Akku vom Verbraucher getrennt. Wenn sie größer ist dann sperrt Q1,schaltet das Relais ein und die LED ist aus.

Platinenentwurf und Layout

Um am Ende die Platine zu entwerfen, haben wir als erstes unsere Teilschaltungen in Eagle erstellt. Zu der Ladeschaltung und dem Tiefenentladeschutz kam noch eine Relaisschaltung dazu. Diese dient dazu, zwischen Akku- und Netzbetrieb umzuschalten. Aus praktischen Gründen wurde uns diese Schaltung von der Spannungsregelungsgruppe übergeben.

Anstelle von zwei Widerständen vor den beiden Relais, wie vorher geplant, benutzten wir nur einen, damit nicht unnötige Leistung verloren geht.

Mit einem Kippschalter trennen wir bei Bedarf den Zweig, der zur Spannungsregelungsgruppe geht. Über diesen Pfad läuft die Versorgung des gesamten Spiels. Das bedeutet er schaltet das Spiel an oder aus, unabhängig davon, ob wir uns im Akku- oder Netzbetrieb befinden.

Mit einem Kippschalter trennen wir bei Bedarf den Zweig, der zur Spannungsregelungsgruppe geht. Über diesen Pfad läuft die Versorgung des gesamten Spiels. Das bedeutet er schaltet das Spiel an oder aus, unabhängig davon, ob wir uns im Akku- oder Netzbetrieb befinden.
Die Verbindungen des Schalters; vom Netzteil zur Platine (Relaisschaltung); von der Platine zur Spannungsregelung und von der Ladeschaltung zum Akku, haben wir mit Anschlussklemmen realisiert. Der Grund dafür ist, dass die Verbindungen damit einfacher mit Kabel ermöglichen können. Dies ist von Vorteil, da die entsprechenden Teile weiter von der Platine entfernt sind, z.B. auf der Außenseite des Gehäuses. Als erstes musste die äußere Isolierung des Kabels vorsichtig abgeschnitten werden. Danach wurden die 3 einzelnen Leiter ab isoliert, sodass nur noch der Kupferdraht am Ende absteht. Die beiden Drähte des gelb-grünen und des blauen Leiters haben wir ineinander verdreht und mit schwarzem Tape fixiert, damit sie als ein einzelner fungieren. Zum Schluss erhielten wir also ein Kabel mit 2 Kontakten (rot=Plus und schwarz=Minus), die wir entsprechend anschließen konnten.
Die Vorgaben zur Leiterbahnbreite und zu den 45°  Winkeln auf dem Board wurden natürlich eingehalten. Wir haben versucht das Layout so einfach wie möglich zu halten, indem viele Leitungen unter Bauteilen (natürliche Verbindungsbrücken) verlaufen. An einigen Stellen mussten dennoch Vias verwendet werden, um Leiterbahnen auf der Oberseite der Platine verlaufen zu lassen. Dies ist notwendig, weil sich die Bahnen nicht überkreuzen dürfen.
Es waren am Ende trotzdem noch einige Verbesserungen notwendig, welche die Betreuer für uns umgesetzt haben, sodass wir die Platine rechtzeitig zum weiter arbeiten in der Hand halten konnten.

Testen der Platine

Im letzten Schritt haben wir die fertige Platine an einen entsprechenden Testaufbau angeschlossen. Damit konnten wir die Funktionen auf ihre Richtigkeit testen und die gewünschte Ladespannung für den Akku einstellen.
Zur Erinnerung:
Bei der Ladeschaltung musste der Strom auf 882mA und die Spannung auf 13,8V begrenzt werden. Der Tiefenentladeschutz sollte den Verbraucher trennen, sobald 10,8V unterschritten werden. Außerdem muss das Schalten des ON/OFF-Schalter und der Relaisschaltung überprüft werden.