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Konstantstromsenke 0-20A 2-24V

Einleitung.
				
Vor 2 Jahren wurde ich auf meiner Diensstelle auf der Fachhochschule
beauftragt eine elektronische Konstantstromsenke zu entwickeln.

Sie wurde benötigt , um den optimalen Arbeitspunkt einer Brennstoffzelle
zu bestimmen, welche im Rahmen des Eco-Shell Projektes eingesetzt wurde.
Es ging darum an einen internationalen Wettbewerb teilzunehmen,  bei welchen das Auto als Sieger ermittelt wird, das mit einen Liter Treibstoff die weiteste Strecke zurücklegt. Es waren bei uns über 3000 km.

Für die Konstantstromsenke wurden verschiedene Lösungsansätze ins Auge gefasst,
unter anderen auch ein Schaltnetzteilverfahren , welches die zu verheizende Energie
in Glühlampen umsetzt, oder sogar ins Netz zurück transferiert.

Die sehr knappe Zeitvorgabe , als auch das knappe Budget führte dann aber letztendlich zu einer konventionellen rein analogen Lösung.

Die Zielvorgaben waren folgende.

1.	möglichst geringe Kosten, deswegen wurde auch der Kühlkörper vom Fachbereich
Maschienenbau berechnet und konstruiert. Das Gehäuse hat ein Professor gespendet.
2.	sehr knapper Zeitplan. 
3.	Der Konstantstrom musste zwischen 0 Amp und 20 Amp stufenlos einstellbar sein.
4.	Die Steuerspannung für den Sollstrom bewegt sich zwischen 0-2,5V , weil in einer
weiteren Ausbaustufe  ein Microcontrollerboard mit einen Can-Bus zum Einsatz kommen soll, um die Messungen zu automatisieren. Der Microcontroller ist allerdings nicht Bestandteil dieses Artikel.
5.	Es soll eine untere einstellbare Schwelle für die anliegende Betriebsspannung realisisert werden, welches als Tiefentladungsschutz für zu entladene Akkus dienen kann.
6.	Das Gerät muss unter allen Umständen betriebssicher sein und auch bei vollen
24V anliegende Spannung die Verlustleistung zuverlässig abführen.

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Funktionsbeschreibung

Die Konstantstromsenke besteht aus den folgenden Modulen

Leiterplatte Regelung
Leiterplatte Lüfterregelung
Leiterplatte Übertemperaturerfassung
Leiterplatte Netzteil
Kühlkörperblock mit den Leistungstransistoren und den zugehörigen 
Emitter, und Sensorwiderständen.
Digitalvoltmetermodul
Optional  Leiterplatte Rechnerschnittstelle.

Die eigentliche Konstantstromregelung besteht im wesentlichen aus dem
IC U2  der als Spannungs-Stromwandler betrieben wird, und den
Zugehörigen Leistungstransistoren Q1-Q21

Das IC U2 vergleicht die mit dem Potentiometer I-Soll eingestellte Spannung
Mit den an den Emitterwiderstände der Leistungstransistoren abfallende Spannung.
Der Ausgang des IC U2 steuert die Leistungstransistoren so weit durch, bis 
Die Spannungsdifferenz  zwischen Pin 2 und Pin 3 des IC U2 0Volt geworden ist.
Somit entspricht der Spannungsabfall am Emitterwiderstand exakt der vom Potentiometer
I Soll vorgegebene Spannung. Der Spannungsabfall am Emitterwiderstand ist direkt
Proportional des Emitterstromes.
Das Trimmpotentiometer R5 wird bei einen vorgegebenen Strom von 0 Ampere so eingestellt, das am Pin 6 von IC U2 gerade einen Spannungsanstieg festgestellt wird.
Die Spannung an Pin6 IC U2 sollte dann etwa 1 Volt betragen.

Das IC U5 wird als Spannungsverstärker betrieben und stellt an der Klemme JP6
Eine Spannung von 100mV / Amp zur Verfügung. Der Innenwiderstand beträgt ca. 
1 K Ohm. Die genaue Verstärkung wird mit dem Trimmpotentiometer R25 eingestellt.
Das IC U5 liefert auch die Spannung für das Digitalvoltmetermodul an Klemme JP7.

Das IC U1 ist eine hochkonstante Referenzspannungsquelle und liefert die Spannung von 5V für das Potentiometer I soll, welches an den Klemmen JP1 angeschlossen ist.
R2 10Kohm bildet mit dem Poti Isol 1 10Kohm einen Spannungsteiler.Der Spannungsregelbereich des Potis ist somit 0-2,5 Volt. Durch Austausch des Referenzelementes U1 gegen ein 10Volt Referenzelementes , das überbrücken des
Widerstandes R2, sowie das ändern des Widerstandes R4 100Kohm in 21,2Kohm läßt sich die Steuerspannung auch auf in der Messtechnik üblichen 0-10V abändern. 

IC U3 und IC U4 werden als Komparator betrieben.  IC U3 erhält eine leichte positive
Rückkopplung, welches mit dem Widerstand R9 4,7Mohm erzielt wurde.
IC U3 vergleicht die Eingangsspannung mit der vom Potentiometer U min vorgegebenen
Spannung. Der Ausgang IC U3 Pin 6 wird positiv wenn die am Eingang anliegende
Spannung den Wert des vom Potentiometer U min eingestellte Spannung unterschreitet.
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IC U4 vergleicht die Eingangsspannung mit einem fest vorgegebenen Wert, welche 
durch die Widerstände R18-R20 vorgegeben sind. Wenn die Eingangsspannung den vorgegebenen Wert überschreitet, wird der Ausgang IC U4 Pin 6 ebenfalls positiv.

Die Ausgänge der IC U4 und U5 steuern über die Dioden D1 D2 den Mosfet Q1 welches sich auf der leiterplatte befindet an. Dieser legt den Eingang von IC U2 Pin3 auf Masse,
und schaltet somit den Laststrom auf 0 Ampere. 
Die LED U> und LED U< signalisieren diesen Zustand.
Der Schalter Last ist dem Mosfet Q1 parallel geschaltet und dient zur manuellen Abschaltung des Stromes.

Auf dem Kühlkörper sind 20 Transistoren BD249C montiert. Jeder Transistor für sich
hält einen Strom von 25 Ampere und eine Spannung von 100 Volt aus. Die zulässige
Verlustleistung eines jeden Transistors beträgt 125 Watt. Der thermische Widerstand
Zwischen Halbleiterblättchen und der Montagefläche des Transistors beträgt 1,25°/Watt.
Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur beträgt 150° Celsius. ( Da ist er kurz
vor dem Exitus ).
Die Transistoren sind mit einen Glimmerplättchen auf dem Kühlkörper isoliert montiert.
Das Glimmerplättchen hat einen thermischen Widerstand von 0,5 °/Watt.

Der gesamte Kühlkörper muss rund 500 Watt an Leistung abführen können.

Jeder Transistor wird also mit einer Leistung von 500W / 20 Transistoren = 25 Watt
belastet. Das Halbleiterelement ist gegenüber dem Kühlkörper also um
25 Watt * ( 1,25°/W +0,5°/W ) = 43,75° also rund 44° wärmer.
Wenn wir eine Sicherheitsreserve von 10 ° Celsius vorgeben , darf der Halbleiter maximal 140 ° warm werden. Also darf der Kühlkörper 140° - 44° sich um 96° erwärmen.
Legen wir eine Umgebungstemperatur von 30 ° zugrunde muss man diese von den 96° abziehen. Also sind es nur noch 66°.
Der Kühlkörper darf demzufolge einen maximalen thermischen Widerstand von 
66° / 500 Watt = 0,132 ° / Watt haben. Mit passiver Kühlung ist das nicht mehr realisierbar. Deswegen befinden sich am Kühlkörper drei Lüfter, die für den nötigen
Luftstrom sorgen.

Lüfterregelung.

Die Temperatur des Kühlkörpers wird mit einen Temperaturfühler KTY10 erfasst
Dieses Halbleiterelement hat bei 20° Celsius einen Widerstand von 2 K Ohm und liegt in 
Einer Brückenschaltung bestehend aus R1-R4. Das IC U1 verstärkt das Ungleichgewicht
Der Brücke um etwa den Faktor 90. IC U2 bildet zusammen mit den Transistoren
Q1 und Q2 einen Impedanzwandler. Die Zenerdioden D3 und D4 bewirken, das die Spannung am Lüfter 12 Volt nicht überschreiten kann. Der Lüfter beginnt ab einer Temperatur von ca. 30° Celsius zu laufen, und erreicht bei ca. 60° seine maximale Drehzahl.

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Übertemperaturschutzschaltung.
Die Spannung die an dem Temperaturfühler KTY10 abfällt, wird außerdem dem
IC U1 zugeführt, welches sich in der Übertemperaturschutzschaltung befindet.
Es vergleicht als Komparator die Spannung vom KTY10 mit einer vom Trimmpotentiometer R1 vorgegebenen Spannung. Dieses Potentiometer wird so 
eingestellt, das bei einer Temperatur von 65° Celsius am Ausgang von IC U1 Pin 6 die Spannung von –15V auf +15 Volt wechselt.
Diese Spannung wird sowohl über den Widerstand R3 einer Leuchtdiode zugeführt,
welches die zu hohe Temperatur signalisiert, als auch über die Diode D1 dem Gate des 
Transistors Q1 BUZ20 auf der Regelungsplatine. Es bewirkt , das der  Eingangsstrom
Des Gerätes abgeschaltet wird.
Die Leiterplatte befindet sich Huckepack auf der Lüfterregelung. Auf Grund der wenigen 
Bauteile wurde diese Baugruppe auf einer Lochrasterplatine aufgebaut. Es existiert
Somit kein Platinenlayout.

Netzteil.

Das Netzteil ist ein konventionell aufgebautes Netzteil. Auf der Leiterplatte sind
Die Spannungsregler LM7815 und LM7915 so angeordnet, das sie zur Kühlung
Auf das Montageblech geschraubt werden kann. Weiterhin befinden sich die 
beiden Netzelkos 2200uF 50V sowie die Dioden 1N4007. Ein weiterer Spannungsregler 
LM7805 wurde neben der Netzteilleiterplatte montiert und frei verdrahtet.
Sie dient der Versorgung des Anzeigemoduls und einer optionalen Rechnerschnittstelle.

Anzeigemodul.

Das Anzeigemodul ist ein zugekauftes Modul der Fa. Falcon mit der Typenbezeichnung
DPM951. Es hat eine 3 ½ stellige LCD Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung, 
Der Anzeigeumfang reicht bis 19,99 Ampere. Bei Überschreitung dieses Wertes wird
Eine 1 angezeigt. Hier kann aber auch jedes handelsübliche Anzeigemodul eingesetzt werden, welches als Eingangsmasse das gleiche Potential erlaubt , wie die Masse der
Versorgungspannung.
Es ist an die Anschlußklemme JP7 angeschlossen. Die Versorgungsspannung dieses 
Moduls beträgt 5V und wird aus einen extra Spannungsregler im Netzteil versorgt, und nicht!! aus den 15V von JP7. 

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Bedienungsanleitung.

Aufstellen des Gerätes.

Es ist auf eine ausreichende Luftzirkulation zu achten.
Das Gerät muss mit dem Lufteinlasskanal einen Abstand
zur Wandfläche von wenigstens 15cm haben. Der 
Luftauslasskanal muss ebenso wenigstens 20cm Abstand
zu einem sich darüber befindlichen Gerätes haben.
Es ist zu bedenken das ein sich darüber befindliches Gerät
mit einer Wärmeleistung von bis zu 500 Watt aufgeheizt
werden kann!!
Das Gerät ist für eine Umgebungstemperatur von maximal
35° Celsius ausgelegt.

Betreiben des Gerätes.

1.	Das Gerät mit dem Netzschalter als  erstes einschalten, bzw als letztes ausschalten.
2.	Schalter Remote / Local in Stellung Local betätigen.
3.	Schalter Last in Stellung Aus betätigen.
4.	Einstellregler I Amp auf den zu entnehmenden Strom einstellen.
Eine Umdrehung entspricht etwa 2 Ampere.
5.	Einstellregler Umin gegebenenfalls auf die untere Spannungsschwelle
einstellen, bei der die Last abgeschaltet werden soll. Ansonsten den Regler
auf 0 einstellen. Eine Umdrehung entspricht etwa 1 Volt.
6.	Last an die Buchsen INP anlegen. Dabei unbedingt Polarität beachten!
7.	Schalter Last in Stellung Ein betätigen.
Das Gerät belastet jetzt die angeschlossene Stromquelle und hält dabei den
am Einstellregler I Amp  eingestellten Strom konstant. Dies in einem 
Eingangsspannungsbereich von etwa 2Volt – 24 Volt DC!!!.

Der in die INP Buchsen hinein fließenden Strom wird durch das 3 ½ Stellen umfassende Anzeigemodul direkt angezeigt. Wenn der Strom 19,99 Amp 
überschreitet zeigt dieses Anzeigemodul eine 1 an.
	An der Buchse Out kann man eine Spannung entnehmen die dem Eingansstrom
	proportional ist. 1Amp Strom entspricht dabei 100mV Spannung am Ausgang.

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Das Gerät schaltet den Laststrom ab bei folgende Ereignisse.

1.	Die Eingangsspannung von 24Volt wird überschritten
Dies wird von der LED U> 24 Volt signalisiert.

Abhilfe: Die Spannung der zu belastende Spannungsquelle auf maximal
24 Volt einstellen. Wenn dies nicht möglich ist, dann ist die Konstantsromsenke
für diesen Einsatz nicht geeignet.

2.	Die Eingangsspannung unterschreitet die am Einstellregler Umin 
Eingestellte Spannung. Dies wird von der LED U<Umin signalisiert.
Damit kann zum Beispiel die Tiefentladung eines Akkus unterbunden werden.

Abhilfe: Wenn der Unterspannungsschutz nicht benötigt wird, den Einstellregler 
Umin auf 0 einstellen. Auf jeden Fall darf die Eingangsspannung 2 Volt nicht 
unterschreiten.

3.	Die Temperatur des Kühlkörpers überschreitet die Temperatur von 65° Celsius.
Dies wird durch die LED T>65°C signalisiert.
Normalerweise wird dieser Fall nicht eintreten, weil die Lüfter in der Lage sind
bei maximal aufgenommene Leistung die Erwärmung des Kühlkörpers zuverlässig
in Grenzen zu halten. Erst bei einer Umgebungstemperatur von mehr als 35° Celsius
gerät das Kühlsystem an seine Grenzen.

Abhilfe: Gerät so aufstellen, das die Luft frei durch den Kühlkörper zirkulieren
kann. Die Raumtemperatur durch geeignete Maßnahmen  auf kleiner 35° Celsius
halten. 

Folgende Zustände sind unbedingt zu vermeiden.

1.	An der Eingangsbuchse Plus und Minus vertauschen
Die Regelung kann dann nicht funktionieren. Ein Kurzschlussstrom
	und somit eine eventuelle Zerstörung der Transistoren wäre die Folge.

2.	Eingangsspannungen die größer als 50 Volt sind
Die Transistoren sind zwar für eine Sperrspannung von 100 Volt ausgelegt
aber Sicher ist Sicher!

3.	Bei anliegender Eingangsspannung Netzschalter einschalten.
Beim  Einschalten des Gerätes baut sich die Betriebsspannung erst auf.
Solange befindet sich die Regelung in einen undefinierten Betriebszustand.

4.	Gerät bei Umgebungstemperaturen größer als 35° Celsius betreiben.
Das Gerät schaltet zwar bei Übertemperatur ab, doch ist es ärgerlich, wenn bei einer
Langzeitbeobachtung eine Messreihe unbrauchbar wird, weil kein Strom mehr fließt.

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Technische Daten

Eingangsspannung		2-24V DC

Eingangsstrom		200mA – 20Amp DC

Eingangsleistung		480 Watt maximal.

Buchse Out			100mV / Amp 	RI = 1Kohm

Temperatur Kühlkörper	65° Celsius maximal  bei maximaler Last und 
				Umgebungstemperatur von 35° Celsius.

Netzspannung		230V AC 30 Watt.  50Hz Schutzklasse 1

Regelabweichung des eingestellten 
Stromes zwischen 2V und 24 Volt		kleiner 0,1%

Quellenverzeichnis

Bezugsquelle DVM

http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/100000-124999/121142-an-01-nl-paneelmeter_DPM_951.pdf

http://www.abtekcontrols.com/Principals/trumeter/Products/falcon/hed281_282dpm951_952/hed281-282_DPM951_952.pdf