Bau und Optimierung einer elektronischen Last zum Testen von Netzteilen, Powerbanks und Co.

 

Physik | Technik

 

Cedric Hirschi, 2002 | Obergerlafingen, SO

 

Es soll die Kapazität einer Batterie ermittelt werden, jedoch wollen Sie es sich nicht mit etlichen Widerständen, Laborkabeln und Multimetern zu schaffen machen? Dafür wurde in dieser Arbeit eine elektronische Last im Handformat gebaut, welche mittels Konstantstromfunktion etliche Experimente erleichtern kann. Ziel war es, eine möglichst geringe Restwelligkeit des konstanten Stromes zu erreichen, sodass mögliche Schaltungen nicht durch das Gerät beeinflusst werden. Dies wurde mittels Behandlung von Regelungstechnik und der Untersuchung der Schaltung im Frequenzbereich erreicht werden. Es konnte eine Restwelligkeit von unter 3mA erreicht werden. Somit kann das Gerät ohne weitere Einschränkungen in Messungen eingebunden werden. Ein theoretischer Beleg hat sich als sehr komplex herausgestellt und wurde so nur teilweise ausgeführt. Die Last kann hierbei eine Leistung von 20W umsetzen und wiegt lediglich 350g.

Fragestellung

Eine elektronische Last ist ein eher selteneres Instrument im Arsenal eines Elektroingenieurs. Für einige Messungen erleichtert diese die Arbeit jedoch enorm oder ist sogar vorausgesetzt. Anwendungsbereiche findet man beispielsweise in der Entwicklung von Netzteilen, Batterien, drahtlosen Ladegeräten etc. Ich selbst eine brauchte eine solche Last und habe deshalb begonnen, selbst eine zu Bauen. Darauf trat jedoch das Problem einer starken Oszillation der umgesetzten Stromstärke auf. Nach langem experimentieren habe ich nach einer Methode gesucht, wie man diese Oszillation verhindern kann mitsamt theoretischer Begründung. Mit der Absicht, dass eine solche Last im Schulunterricht genutzt werden könnte, habe ich diese tragbar gestaltet.

Methodik

Es wurde ein Schema einer elektronischen Last von Grund auf, basierend auf der Plattform ARM / Arduino, angefertigt. Für das Gerät selbst wurden Platinen gefertigt, sowie ein 3D-druckbares Gehäuse mit passender Kühlung entwickelt. Das Gerät erhielt ein OLED-Display mit Encoder zur Navigation des Menus sowie eine Batterie, welche sogar während dem Betrieb aufgeladen werden kann. Für die Optimierung wurde eigens eine Evaluationsplatine angefertigt, welche die notwendigen Messungen vereinfachen soll. Die Optimierung wurde auf zwei verschiedene Arten durchgeführt. Die erste Methode ist aus Unwissen entstanden und besteht lediglich darin, verschiedene Werte für die zu Optimierenden Bauteile einzusetzen, sowie deren Einfluss auf die Oszillation zu untersuchen. Da diese Ergebnisse nicht aussagekräftig waren, wurde eine theoretische Begründung erarbeitet. Dafür wurde die Theorie der Regelungstechnik und das Verhalten solcher Systeme im Frequenzbereich untersucht. Aus diesen Ergebnissen konnte dann angegeben werden, wofür einzelne Komponenten da sind, Werte approximiert werden.

Ergebnisse

Das finale Gerät besitzt mit beiden Methoden eine mit den zur Verfügung stehenden Geräten nicht mehr messbare Restwelligkeit von unter 3mA. Für alle Versuche hat sich dies als perfekt herausgestellt, dies bis zu einer Stromstärke von 3A. Das finale Gerät kann eine konstante elektrische Leistung von maximal 20W umsetzen. Das Gerät konnte handlich gestaltet werden, die Aussenmasse betragen lediglich 155x110x50mm, das Gewicht 350g. Diese Masse befinden sich in der Grössenordnung Handmultimeter, somit ist eine Verstauung im problemlos möglich. Preislich liegt diese Last bei unter CHF 100, somit könnte diese auch für/von Elektronikanfänger/n erschwinglich gebaut werden.

Diskussion

In Bezug auf die Fragestellung wurde das Ziel klar erreicht. Dieses Ergebnis ist im Vergleich mit anderen (professionellen) Geräten gut. Die experimentelle Methode ist offensichtlich nicht die richtige, die dabei gesammelten Daten für eine wissenschaftlich Begründung nur begrenzt relevant. Der Ansatz einer theoretischen Begründung ist hierbei wertvoll, konnte jedoch aufgrund einer sich aufzeigenden Komplexität nicht bis zu Ende durchgeführt werden. Für eine komplette Durchführung fehlte die Zeit und das Wissen.

Schlussfolgerungen

Diese Last ist in der üblichen Nutzung sehr praktisch. Sie könnte so nun im Unterricht genutzt werden oder für Hobby-Elektroniker, dies sogar für einen erschwinglichen Preis und in einem handlichen Format. Für zukünftige Anwendungen kann eine grössere Last mit einem höheren Leistungsumsetzvermögen gebaut werden, dies nach Bedarf sogar mit den gleichen Platinen. Eine wissenschaftliche Methode zur Optimierung dieser Last könnte ebenso fertig erarbeitet werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Dr. Sébasthien Mariéthoz

The work deals with the design of an electronic load for testing power supplies and rechargeable batteries of portable electronic devices. Technically, the device that was designed is a feedback controlled linear power converter. The design and realization of this device required dealing with electronic circuit simulation, printed circuit board design and assembly, microcontroller programming and feedback control systems, The most challenging part is certainly the analysis of the stability of the converter. The final outcome of the project is a functional prototype packaged in a plastic box.

Prädikat:

gut

 

 

 

Kantonsschule Solothurn
Lehrer: Reto Basler