Aufgabe der Notstromversorgung ist die Gewährleistung der Stromversorgung des automatischen
Gewächshauses bei Netzausfall durch Akku-Betrieb. Dazu wurde parallel zum
Netz ein 12 V–Blei-Gel- Akkumulator geschaltet, auf den bei Netzausfall automatisch
über ein Relais umgeschaltet wird.
Zum kontrollierten Laden des Akkus bei Netzbetrieb dient ein Laderegler, der nach dem
Konstant- Spannung-Ladeverfahren arbeitet und den Akku vor Überladung schützt. Beim
Entladen des Akkus über die Verbraucher sorgt ein Tiefentladeschutz dafür, dass die
Entladeschlussspannung des Bleigel-Akkus nicht unterschritten wird, um den Akku zu
schonen und damit seine Lebensdauer zu optimieren.
Da einige Verbraucher, die bei Stromausfall weiterbetrieben werden sollen, eine Versorgungsspannung
von 5 V benötigen, wird die Ausgangsspannung des Akkus mit Hilfe eines
Konstant-Spannungsreglers heruntergesetzt. Die anderen Verbraucher werden direkt über
die Akkuspannung versorgt.
Simone Weidner
Es wurde zuerst eine Recherche von Schaltungsentwürfen und Möglichkeiten der Akkuversorgung
durchgeführt.
Für die Notstromversorgung stehen 6 Akkus des Typs Yuasa NPW45-12 zur Verfügung,
welche für dieses Projekt bereit gestellt wurden. Diese Blei-Gel-Akkus wurden als USV
(Unterbrechungsfreie Stromversorgung) für ein Serversystem in Potsdam verwendet und
sind derzeit Eigentum der Neuen Energien Zernsee GmbH & Co. KG. Die Verwendung
der Akkus wurde mit den Verantwortlichen dieses Projektes geklärt.
Nach der Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Akkus bestand die Aufgabe darin,
die Akkus in ein System mit einem Laderegler und einem Tiefentladeschutz sowie einer
Spannungsregelung zum Zweck der USV zu integrieren. Für das Projekt wurde dafür
derjenige Akku mit der aktuell größten Kapazität ausgewählt.
Benjamin Petrick
Zwischen Netzteil und Notstromversorgung besteht eine Schnittstelle, die Spannung von
ca. 24V aus der Glättung. Liegt diese Spannung am Eingang der Notstromversorgung an,
trennt einerseits das Relais K1 die Verbraucher vom Akku, andererseits wird der Akku
geladen.
Außerdem dienen die beiden Schnittstellen (5 V und ca. 12 V) am Ausgang der Notstromversorgung
der Versorgung der Verbraucher. Diese Ausgänge werden – wie auch die beiden
Ausgänge des Netzteils- über den Bus auf der Netzteil-Platine mit den Verbrauchern
Bewässerung, Belüftung, Beleuchtung und Steuerung verbunden.
Eine weitere Schnittstelle der Notstromversorgung ist diejenige zwischen Platine und Akku.
Schaltungsentwurf
Laderegler
Ein Laderegler ist eine elektronische Schaltung (häufig als IC realisiert), die das Ladeverfahren
zum Aufladen von Akkumulatoren technisch umsetzt. Die Ladeverfahren sind
dabei zum Teil genormt.
Häufig liegt die Spannung eines Erzeugers über der Spannung eines voll geladenen Akkus,
sodass dieser bei Direktladung beschädigt werden könnte. Außerdem kann durch Tiefentladung
eines Akkus durch zu starke Nutzung der Verbraucher die Akkulebensdauer
erheblich gesenkt werden. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, soll ein Laderegler
ihn vor Tief- und Überladung schützen (Tiefentladeschutz ist im Projekt separat
integriert). Das Ziel ist dabei stets den Akku innerhalb seiner Betriebsgrenzen vollständig
aufzuladen. Bei einem Blei-Akku mit 12 V Nennspannung liegen diese bspw. zwischen
9,9 V bis etwa 13,7 V. Im Projekt wurden 10,8V als Entladeschlussspannung und 13,8V
als Ladeschlussspannung gewählt.
Zwecks Umsetzung gibt es verschiedene Strategien der Steuerung von Strom und Spannung.
Die wichtigsten Ladeparameter sind dabei Temperatur, Spannung, Kapazität,
Zeit und Ladestrom. Im Projekt werden Blei-Gel-Akkus verwendet. Dafür eignet sich
die Anwendung des relativ einfachen Konstantspannungs-Ladeverfahrens, bei dem die
Ladespannung UL über den Ladezeitraum tL konstant gehalten wird. Die konstante
Spannung wird über einen Strombegrenzer an den Akkumulator angelegt. Mit steigender
Aufladung verringert sich die Differenz zwischen Ladespannung u nd Akkuspannung,
was zu einem verringerten Ladestrom führt. Dieses Verfahren wird grundsätzlich für
Blei-Akkus, Li-Ionen-Akkus und RAM-Zellen eingesetzt.
Abbildung 13: Ladereglerschaltung
Der Laderegler soll den Akku kontinuierlich puffern, d.h. die Spannung des Akkus konstant
auf der Ladeschlussspannung halten, damit der Akku zu jeder Zeit in vollem Umfang
einsatzfähig ist. Dazu wird bei Erreichen der Ladeschlussspannung der Ladestrom automatisch
zurückgeregelt, sodass der angeschlossene Akku ständig auf dem eingestellten
Spannungsniveau gehalten wird.
Blei-Akkus mit 12V Nennspannung werden im Bereitschafts-Parallelbetrieb mit einer
Konstantspannung von 13,8 V gespeist. Die Ladegrenzen liegen im Allgemeinen zwischen
10,5 V bis 13,8 V. Aus Sicherheitsgründen wird in diesem Projekt als untere Grenze eine
Entladeschlussspannung von 10,8 V gewählt.
Je nach Ladezustand fließt ein unterschiedlich großer Strom in den Akku, was schnell zu
Überlastung führen kann. Daher muss für die Begrenzung des maximalen Ladestroms
gesorgt werden.
Die ausgewählte Schaltung ist für eine weitgehend konstante Umgebungstemperatur
konzipiert, was im Projekt gegeben ist. Die Konstanthaltung der Spannung erfolgt über
einen einfachen Spannungsregler. Ein einfacher Längswiderstand in der Stromzuführung
übernimmt die Aufgabe der Strombegrenzung, indem er über einen geringen Spannungsabfall
einen Transistor ansteuert. Dadurch wird der Ladestrom auf 0,5 A begrenzt, womit
Akkus der Größenordnung von ca. 1 bis 2 Ah abgedeckt sind .
Im Detail betrachtet, stammt die Ladespannung vom Spannungsregler LM317, dessen
Ausgangsspannung einstellbar ist. Zwischen den Anschlüssen A und Ref des ICs liegen damit gerade 1,25 V (genau interne Referenzspannung). Berücksichtigt man Q1 und R1
bis R3 nicht, gilt für die Ladespannung:
U Akku= (R5 + R4) / R5 * 1,25V
Bei einem 12 V-Akku muss die Ladespannung UAkku durch Dimensionierung des Widerstandes
R4 auf 13,8 V eingestellt werden. Damit das IC überhaupt arbeiten kann, muss
die Eingangsspannung Uein um ca. 3 V über der Ausgangsspannung liegen, also bei ca.
16,8 V.
Zur Ladestrombegrenzung dient der Längswiderstand R2/R3. Ohne ihn könnte so viel
Ladestrom in den Akku fließen, wie das Netzteil und das IC1 hergeben, d.h. max. ca. 1,5
A. So entsteht jedoch bei jedem Stromfluss ein Spannungsabfall über R2/R3. Wenn er 0,6
V erreicht, schaltet Q1 durch und zieht, parallel zu R4, vom Punkt zwischen R5 und C3
Strom ab. Dadurch geht die Ausgangsspannung geringfügig zurück, sodass der Ladestrom
max. 1 A wird. Je größer der Stromfühlerwiderstand, desto kleiner der Ladestrom, da
die Basis/Emitter-Spannung von 0,6 V früher erreicht wird. Der Vorwiderstand R1 sorgt
für eine weichere Regelkennlinie, d.h. die Ansteuerung von Q1 erfolgt ohne scharfen
Übergang.
Die Kondensatoren C1 und C2 am Eingang dienen zur Stützung der eingespeisten
Spannung, wobei C2 hochfrequente Anteile kurzschließt. Der Elko C3 verhindert, dass
sich kurzzeitige Lastschwankungen am Ausgang auf die Spannung am Referenzeingang
auswirken. C4 underdrückt die Schwingneigung des schnellen ICs.
Integrierte Spannungsregler reagieren sehr empfindlich auf Falschpolung (Ua>Ue). Daher
schützt eine Rückwärtsdiode D1 ihn vor solchen unzulässigen Betriebszuständen. Der
Akku kann sich hierüber auch bei Netzausfall nicht entladen, da Uein von einem Brückengleichrichter
stammt.
Simone Weidner
Tiefentladeschutz (Theorie)
Akkumulatoren nehmen bei Tiefenentladung Schaden. Jeder Akkumulator besitzt eine
bestimmte vom Hersteller angegebene Kapazität. Diese wird beim verwendeten „Yuasa
NPW45-12“-Akku bei etwa 10,8V erreicht. Je nach Zustand der Batterie verändert sich
die Kapazität, bei Erreichen der Entladeschlussspannung. Um den Akku zu schützen, darf diese Spannung nicht unterschritten werden. Für eine längere Lebensdauer sollte
diese Spannung auch nicht erreicht werden. In der verwendeten Schaltung wurde diese
Spannung für etwa 11V eingestellt. Durch das Relais wird die Tiefenentladung des Akkus
erst hinzugeschaltet, wenn das Netz keine Spannung mehr liefert.
Benjamin Petrick
Für den Tiefentladeschutz wurde eine bereits bekannte Schaltung verwendet, welche
speziell für 12V Blei-Akkus erprobt wurde. Sobald der Akku seine Entladeschlussspannung
erreicht, sperrt der n-MOSFET, wodurch der Kontakt zwischen Akku und Verbraucher
unterbrochen wird, sodass weiteres Entladen verhindert und der Akku vor Tiefentladung
geschützt wird.
Ayhan Türk
Abbildung 14: Tiefentladeschutzschaltung
Dimensionierung und Simulation
Laderegler
Der Laderegler wurde in LTSpice aufgebaut, die Simulation konnte jedoch nicht abschließend
durchgeführt werden, da der LM317 nicht als Modell verfügbar war.
Anschließend wurde ein Testaufbau der Schaltung auf dem Breadboard geprüft.
Der Widerstand R4, welcher in der recherchierten Schaltung ein Potentiometer ist, wurde
durch folgende Formel dimensioniert:
UAkku = R5 + R4 / R5 *1,25V
Da der Widerstand R5 mit 270 bekannt ist und eine Ladeschlussspannung von 13,8V
für den Akku gefortert ist, kann man die Formel nach R4 umstellen, sodass man einen
Wert von 2700 erhält. Der am nächsten liegende Normwiderstand hat einen Wert von
2,7 k und wurde für die Schaltung als Festwiderstand integriert.
Simone Weidner
Tiefentladeschutz
Der Arbeitspunkt des Bipolar-Transistors Q1 wird über das Potentiometer eingestellt.
Q1 und der Mosfet M1 sind immer gleichzeitig aktiv, somit bestimmt der Arbeitspunkt
von Q1, in welchem Intervall die Schaltung Strom an die Last abgibt. Q2 ist inaktiv
(Strom fließt von der Basis zum Kollektor), wenn Q1 aktiv ist. Ist die Last aktiv, bildet
sich die Maschengleichung aus UR4 + UR5 = UR8 + UQ2 = ULast. Durch R5 ist einstellbar,
wie groß die Differenz zwischen Beginn des Entladens und Ende des Entladens ist. R5
wurde mit 100 so gewählt, dass der Akku erst ab einer Spannung von 12,2V entladen
wird. Das Potentiometer ist auf 10.8V als Entladeschlussspannung eingestellt.
Die hohen Wiederstände sorgen für einen geringen Leerlaufstrom. In der Simulation
fließen im Zener-Diodenstrang maximal 440 mA. Über R1 fließen zwischen 1 und 2mA.
Über die Zener-Diode fällt immer eine etwa gleich große Spannung von 4.1V ab.
Benjamin Petrick
Die Schaltung funktioniert mit einer Hysterese von ca. 1,2V-1,3V, was bedeutet, dass
erst wieder angefangen wird zu entladen, wenn der Akku seine Nennspannung von 12V
erreicht. Um dies zu verdeutlichen, wurde eine Simulation in LTSpice durchgeführt.
Die grüne Kurve entspricht der Akkuspannung und soll als sein Ladezustand gedeutet
werden. Der Sinus spiegelt das Laden und Entladen des Akkus dar. Die rote Kurve ist die
Spannung am Verbraucher bzw. der Last. Zu sehen ist, wie diese die Spannung des Akkus
in einem Intervall von 12,2V – 10,8V “kopiert“ und, sobald die Entladeschlussspannung
von 10,8V unterschritten wird, auf 0V fällt. Nun kommt die eben erwähnte Hysterese ins
Spiel, welche dafür sorgt, dass erst ab der Nennspannung von 12,2V wieder entladen wird,
um ein andauerndes Hin- und Herladen und Entladen an der 10,8V-Schwelle zu vermeiden.
Abbildung 15: Simulation der Tiefentladeschutzschaltung
Testaufbau
Laderegler
Der Testaufbau des Ladereglers erfolgte auf einem Breadboard. Nach erfolgreichem Aufbau
wurde die Schaltung vom Tutor abgenommen und getestet.
Im ersten Schritt wurde die Ausgangsspannung an offenen Klemmen bei verschiedenen
Eingangsspannungen zwischen 14,5V und 17V getestet. Diese wurde wie erwünscht
durch den LM317 konstant auf 13,8V gehalten, was der Ladeschlussspannung des Akkus
entspricht.
Anschließend wurde die Schaltung unter Last getestet. Aus Sicherheitsgründen wurde
vorerst statt des Akkus ein Schiebewiderstand an den Laderegler (max. 330 , 1,3 A) angeschlossen, der auf
R= U/I = 13,8V / 0,5A = 27,6 Ohm
eingestellt wurde. Bei einer minimalen
Eingangsspannung Uein = 14,5 V wurde eine Ausgangsspannung Uaus = 12,4 V gemessen,
da unter Last ein Strom über den Widerstand fließt und so die Spannung etwas geringer
wurde. Damit wurde gezeigt, dass die Schaltung auch unter Last angemessen funktioniert.
Schließlich wurde ein etwas entladener Akku mit ca. 11,2V Klemmspannung angeschlossen,
um den Ladevorgang unter realen Bedingungen zu testen, während auf den Ladestrom
und die Akkuspannung geachtet wurde. Die Eingangsspannung wurde auf Uein = 16,8
V eingestellt. Das führte dazu, dass die Spannung am Akku allmählich stieg, während
der Strom kleiner wurde. Dabei lag der Ladestrom am Anfang noch bei ca. 0,5A und
wurde durch die Funktionsweise des Ladereglers immer kleiner, je näher der Akku seiner
Ladschlussspannung kam.
In der folgenden Abbildung ist eine Momentaufnahme des Ladeprozesses zu sehen, bei der der Akku auf 13,12V aufgeladen wurde, während der Ladestrom auf 0,228A gesunken
ist, was unseren Erwartungen entprach.
Abbildung 16: Momentaufnahme des Ladepzozesses
Tiefentladeschutz
Der Aufbau des Tiefentladeschutzes erfolgte ebenfalls auf einem Breadboard. Zunächst
hatte die Schaltung nicht funktioniert, bis vom Tutor bemerkt wurde, dass die Leitungen
der Versorgungsspannung am Breadbord nicht miteinander verbunden waren. Nachdem
dies nachgeholt wurde, hat die Schaltung letztendlich funktioniert.
Das Potentiometer wurde per Trial and Error so lange eingestellt, bis die gewünschte
Spannung erreicht wurde, an der der Tiefentladeschutz ”greift” und der Ausgang von der
Last getrennt wird, indem der Mosfet sperrt, was in diesem Fall ca. 10,8V betrug. Der
Widertandswert lag danach bei ca. 2500.
Im Folgenden ein Bild des Tesaufbaus der Tiefentladeschutzschaltung:
Abbildung 17: Testaufbau der Tiefentladeschutzschaltung
Platinenentwurf und Layout
Bevor das Layout der Platine entworfen werden konnte, mussten die beiden Teilschaltungen
(Laderegler + Tiefentladeschutz) in EAGLE-Schematics zusammengefügt werden.
Dies geschah unter der Berücksichtigung, dass noch ein Relais zusäztlich dazukam, welches
die Notstromversorung je nach vorhandener Netzspannung in Einsatz bringt oder nicht.
Außerdem kamen zur Sicherung noch eine 6,3A-Sicherung und eine Diode hinzu. Um
am Ausgang sowohl 12V als auch 5V für die anderen Gruppen zur Verfügung zu stellen,
wurde ein 7805-Spannungsregler angeschlossen, an dem die 5V abgegrifen werden können. Die fertige Gesamtschaltung sieht demnach wie folgt aus:
Abbildung 18: Gesamtschaltung
Beim Entwurf des Platinenlayouts musste man der Funktionalität und Sicherheit halber
auf einige Punkte achten. So sollten Leiterbahnen, die den Entladestrom führen, bzw. alle Leiterbahnen, die mit hoher Stromstärke belastet werden, breiter gewählt werden, um diese nicht zu beschädigen
oder gar zu zerstören. Die Leiterbahnen sollten auch immer mit einem 45 Grad-Winkel verlegt werden um
besseren Stromfluss zu gewähleisten. Außnahme hier sind die Leiterbahnen, die direkt zu
Bauteilpads hin- oder von ihnen wegführen.
Für genug Platz für die Kühlkörper der ICs sollte auch gesorgt werden, was hier mehr
oder weniger erfolgreich geschah. Der Mosfet und der Spannungsregler sind etwas zu
nah beieinander. Befestigt man den Kühlkörper für eines der beiden Bauteile jedoch
andersrum orintiert, finden beide auf der Platine Platz (Hinweis vom Tutor).
Da die Schaltung auch drei Ground-Potentiale besitzt, mussten drei Polygone um die
Platine gezogen werden, um jede der drei Masseflächen separat zu erstellen.
An Stellen, wo es Sinn macht, wurden Löcher für die Messpins gebohrt.
Das endgültige Layout sieht nach Beachtung (fast) aller Punkte wie folgt aus:
Ayhan Türk
Abbildung 19: Endgültiges Layout