Management Summary
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Anforderungen & Ziele
Funktionale Anforderungen
- Spannungsausgabe 50V – 1500V DC
- Messbereich von 200MΩ bis 1GΩ
- Galvanisch getrennt
- Entladung der Hochspannung
- Stand-alone
- 5V,24V oder 230V Speisung
- Ansteuerung mit Modbus
- Kalibration über Modbus
Nicht Funktionale Anforderungen
- Grösse der Leiterplatte im Format Europakarte 3U (160mm x 100mm)
- Höhe der Bauteile max. 44.5mm
- DIN-41612 Stecker
- STM-Mikrocontroller
Optionale Anforderungen
- Warnung bei zu geringem Isolationswiderstand
- Ein automatischer Testvorgang kann gestartet werden.
Konzept
Bei der Konzipierung, wurden drei Konzepte erstellt und mit einer Entscheidungsmatrix die optimale Variante ausgewählt.
Beim gewählten Konzept, wird die Hochspannung mit einem HV/DC Modul umgesetzt. Die galvanische Trennung wird über den AC/DC Wandler realisiert. Mit einem Spannungsteiler und dem internen ADC des Mikrocontrollers, wird der Leckstrom sowie die Prüfsspannung über dem Prüfling gemessen.Somit kann der Isolationswiderstand bestimmt werden. Ein DAC wird auf das HV/DC Modul zurückgekoppelt um die Spannung zu reglulieren.
Über ein RS 485 Treiber kann der Mikrocontroller via Modbus Protokoll kommunizieren.
Hardware
Schema
Das Schema ist anhand des vorgestellten Konzepts Schritt für Schritt erstellt worden. Recherchen bei diversen Distributoren dienten dazu einen Überblick der Lagerbestände zu gewinnen. Gleichzeitig wurde Rücksprache mit der Entwicklungsabteilung gehalten, um bereits intern verwendete Bauteile ausfindig zu machen. Das Schema ist im Anhang als PDF zu finden.
Komponentenauswahl
In der aktuellen Situation ist die Verfügbarkeit von elektronischen Bauteilen rar. Die Beschaffung ist meistens schwierig. Deshalb ist die Verfügbarkeit eines der wichtigsten Kriterien bei der Komponentenauswahl. Durch die Auflistung der Verfügbarkeiten bei diversen Distributoren sowie anhand der Spezifikationen wurde eine Auswahl getroffen.
Verwendte Bauteile:
- Hochspannungsmodul
- FET
- Mikrocontroller
- Resonator
- Spannungsreferenz
- Operationsverstärker
- DC/DC Wandler
- RS 485 Treiber
- AC/DC Modul
- Messwiderstände
- NPN-Transistor
- Diverse Widerstände
- Diverse Kondensatoren
Die genaue Bezeichnung der Bauteile ist in der Stückliste im Anhang zu finden.
Kosten
Bei der Kostenberechnung werden Arbeitsstunden nicht verrechnet.Die Kosten für ein Modul belaufen sich somit auf rund 225 Franken.
Layout
Das Layouten übernahm Patrick Schmid, welcher in der Firma KELLER für die PCB-Designs zuständig ist und somit eine grosse Erfahrung mit sich bringt.
Zu beachtende Punkte beim layouten sind vor allem die Positionierung der Bauteile, sowie die Abstände der Leiterbahnen wegen den hohen Spannungen.
Software
ADC
Um die gemessene Spannung digital zu verarbeiten, wird der interne ADC des Mikrocontrollers verwendet. Ein ADC verarbeitet, wie der Name schon sagt, ein analoges Signal in einen digitalen Wert. Der Wandler misst das Verhältnis zwischen der anliegenden Spannung zur Referenzspannung. Der ADC misst die Spannung über dem Spannungsteiler, somit kann der Strom sowie die Prüfspannung ermittelt werden.
DAC
Um das Hochspannungsmodul anzusteuern, wird der interne DAC des Mikrokontrollers verwendet.
Regelkreis
Da die Spannung am Hochspanungsmodul sehr lastabhängig ist, muss die Spannung nachgeregelt werden. Dazu wird ein PI-Regler eingesetzt. Durch die gemessenen ADC-Werte kann die SOLL / IST Differenz berechnet und über den DAC-Ausgang nachgeregelt werden.
Modbus
Um von aussen mit dem Mikrocontroller zu kommunizieren, wird das Modbus Protokoll verwendet.
Endergebnis
Das Endergebnis ist ein funktionsfähiges Isolations & Gasableiter Modul, welches eine Spannung zwischen 50V und 1500V ausgeben kann. Der Messbereich liegt zwischen 2MΩ und 4GΩ, abhängig von der eingestellten Ausgangsspannung. Das Modul ist durch den AC/DC Wandler sowie dem RS-485 Treiber galvanisch getrennt. Über Modbus kann das Modul angesteuert und kalibriert werden. Es können zwei verschiedene Modis ausgewählt werden, um den Prüfling auf die Isolation zu testen.
Für die Präsentation wurde eine Anschlussbox gebaut, welche die Backplane simulieren soll. Die Speisung sowie die Prüfspannung wurden herausgeführt, um ein Testobjekt anschliessen zu können.
Ausblick
Das erste Modul für den Unitester ist nun fertig. Als nächstes muss die Schema Änderung angepasst werden und auf das Layout übertragen werden. Man könnte zusätzlich eine variable Verstärkung für die verschiedenen Spannungsbereiche entwickeln. Somit könnten bei niedriger Prüfspannung ebenfalls höhere Widerstandswerte gemessen werden. Anschliessend sollen weitere Module aufgebaut und bestückt werden. Das zweite Modul ist bereits in Entwicklung. Schlussendlich sollen für die circa 50 Unitester sieben verschiedene Module entwickelt werden. Sobald diese alle fertiggestellt wurden, muss ein passendes Gehäuse gefunden werden. Für die Bedienung braucht es noch eine grafische Benutzeroberfläche.
Ziel ist es, dass der Unitester per Ende 2023 einsatzbereit ist.
