Da alle Geräte und Bauteile, die wir für unser Auto-Gewächshaus benötigen, eine bestimmte
Betriebsspannung haben und mit Gleichspannung (DC) arbeiten, müssen wir
die 230V Wechselspannung, die wir aus der Steckdose erhalten, auf die benötigte Gleichspannung
heruntertransformieren. Hierfür benötigen wir zunächst einen Transformator.
Der Transformator stellt uns dann auf der Sekundärseite eine geringere Wechselspannung
zur Verfügung. Durch den Gleichrichtung-Teil bekommen wir dann die gewünschte
Gleichspannung, welche wir letztendlich nur noch glätten müssen, da die Bauteile mit
Schwankungen im Spannungsverlauf nicht konstant arbeiten können. Insgesamt sieht die
zu realisierende Schaltung wie folgt aus:
Abbildung 4: Gleichrichterschaltung mit Glättung
Der Transformator
Der Transformator (Trafo) ist ein grundlegendes Bauteil der Elektrotechnik. Er erfüllt
zwei wichtige Aufgaben: Zum Einen dient er als Spannungsübersetzer, d.h. hohe/niedrige
Spannungen auf der Primärseite werden zu niedrigen/hohen Spannungen auf der
Sekundärseite – bei annähernd gleich bleibenden Leistungen – übersetzt. Hierbei sind
Spannungsverhältnisse von mehr als 1:10 realisierbar.
Primär- und Sekundärseite sind sie galvanisch getrennt, also kann die Spannung auf der
Sekundärseite eine andere sein als die auf der Primärseite.
Anzumerken sei an dieser Stelle, dass Trafos nur mit Wechselspannungen betrieben werden
können, da es sonst keine Induktion auf der Sekundärseite geben kann. Bei einem Trafo
sitzen zwei Spulen auf dem selben Eisenkern. Das durch die anliegende Wechselspannungn
wechselnde Magnetfeld auf der Primärseite induziert eine Spannung auf der Sekundärseite,
die abhängig vom Windungsverhältnis der Spulen ist. Dies funktioniert auch mit mehr
als zwei Spulen. In der Abbildung unten sind der Aufbau und das Ersatzschaltbild eines
Trafos dargestellt.
Abbildung 5: Ersatzschaltbild des Transformators
Für unser Projekt benötigen wir einen Transformator, der die 230V Wechselspannung in
18V Wechselspannung transformiert. Hierfür haben wir den Transformator in der unteren
Abbildung verwendet:
Abbildung 6: Transformator des Projektlabors
Dies ist ein Trafo, bei dem man auf der Sekundärseite unterschiedliche Spannungen
abgreifen kann. Bevor wir mit diesem Trafo arbeiten können, mussten wir ihn an unsere
Bedürfnisse anpassen. Dafür haben wir die Anschlüsse, die wir nicht benötigen, mit
Schrumpfschläuchen abgedeckt bzw. abgeschnitten. Nach der Anpassung sieht unser
fertiger Trafo so aus:
Abbildung 7: Transformator des Projektlabors nach Präparation
Gleichrichtung
Für die Gleichrichtung der Spannung haben wir uns für einen Zweiweggleichrichter
entschieden. Beim Zweiweggleichrichter, welchen wir u.a. aus GLET kennen, sind die
Dioden so angeordnet, dass wir trotz Umpolung der Spannungsquelle/ Sekundärspannung
stets einen positiven Spannungsverlauf erhalten, also alle negativen Teile eines Spannungsverlaufs
auf der Zeitachse gespiegelt werden. Dies wird anhand folgender Abbildung
veranschaulicht:
Abbildung 8: Brückengleichrichter
Somit erhalten wir aus den 230V Wechselspannung eine Gleichspannung von ca. 18 V.
Glättung
Damit die Bauteile so effizient wie möglich arbeiten, benötigen wir einen konstanten
Spannungsverlauf. Diesen können wir anhand eines Glättungskondensators realisieren
(wir verwenden zwei 4700μF-Kondensatoren). Nach der Glättung erhalten wir folgenden
Spannungsverlauf:
Abbildung 9: Spannungsverlauf nach Glättung
Berkay Beyaztepe
Aufgabenstellung der Spannungsregelung
Ziel dieser Kleingruppe ist es, aus einer geglätteten Eingangsspannung von ca. 24V DC
eine geregelte Ausgangsspannung auf 12V DC und 5V DC-Ebene mit entsprechender
Leistung bereitzustellen. Die geregelten Spannungen werden über ein Bussystem den
anderen Projektgruppen zur Verfügung gestellt.
Schaltungsentwurf
Der erste Schaltungsentwurf sah die Spannungsregelung mittels Tiefsetzsteller vor. Aufgrund
der besonderen Umstände dieses Semesters wurde der erste Entwurf verworfen
und die Spannungsregelung mittels integrierter linearer Spannungsregler realisiert. Spannungsregler
bestehen aus einer hoch integrierten Transistorbeschaltung, mit der es
möglich ist bei sich verändernder Eingangsspannung eine definierte gleichbleibende Ausgangsspannung
zu erzeugen. Dabei darf die Ausgangsspannung nie höher sein als die Eingangsspannung, da dies zur Zerstörung der Regler führt. Zur Vermeidung einer überhöhten
Ausgangsspannung werden Schutzdioden eingesetzt. Dabei wird grundsätzlich
zwischen Reglern für positive und negative Spannungen sowie mit fester oder einstellbarer
Ausgangsspannung unterschieden.
Abbildung 10: schematischer Aufbau eines Spannungsreglers
Die Realisierbarkeit der Schaltung wurde mittels PSpice und einem Testaufbau überprüft
und bestätigt.
Platine
Das Schaltungslayout wurde mittels EAGLE entworfen und entsprechend der Simulationsergebnisse
realisiert. Dabei galt es die richtigen Leiterbahnbreiten sowie die korrekten
Bauteile auszuwählen. Das dabei entwickelte Platinenlayout wurde in der TU-eigenen
Platinenfertigung umgesetzt.
Abbildung 11: Schaltung der Spannungsregelung
Abbildung 12: Platinenlayout der Spannungsregelung
Marcel Blasinger, Christian Berger