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Hardware Beschreibung
Die Hardware besteht im Wesentlichen aus dem RP2040 (Raspberry PI Pico bzw. Zero), welcher folgende Peripherie ansteuert:
- 1.8-Inch Display
- Misst 2 Spannungen via Analog Eingänge:
- Batterie Spannung
- Paneel Spannung
- Kommuniziert mit dem ADS1115, 4-Kanal 16-Bit A/D Wandler für
- Strom vom Netzgerät
- Strom vom PV Laderegler
- Strom vom Paneel
- Stromsensor für Verbraucher
- Steuert den Laderegler via Analogspannung mittels PWM Ausgang
Schema und Hardware Aufbau
Auffällig ist, dass bei den Stromsensoren jeweils + und - vertauscht sind. Das hat folgenden Grund:
Die Sensoren werden mit 5V gespeist. Der Ausgang beträgt 2.5(V) + 0.4(V/A) * I(A).
Also bei I=5A ist der Ausgang 2.5 + 5 * 0.4 = 4.5V.
Entsprechend bei -5A ist es 2.5 + -5 * 0.4 = 0.5V.
Da der AD Wandler auf 4V Referenz eingestellt ist, würde er bereits bei
3.75A übersteuert (2.5 + 3.75 * 0.4 = 4.0). Tauscht man + und - sinkt
die Spannung gegen Null, was der A/D Wandler problemlos messen kann.
Somit ist der Messbereich -3.75...5.0A.
Die Komponenten innerhalb der Stecker (RP2040, ADS1115, Spannungsteiler
für Spannungsmessungen, Filter für PWM, 5V Regler) sind auf einer kleinen
Lochraster-Platine untergebracht. Der 5V Regler muss erst auf 5V eingestellt werden, wie im Projekt Lichtorgel beschrieben.
Die Platine wurde auf der Rückseite wie im Fräs-Plotter Projekt beschrieben bearbeitet, um die Leiterbahnen korrekt zu unterbrechen.
Zu beachten ist dass der 9A Step-Down Spannungsregler, welcher als
Laderegler verwendet wird, auf dem Kopf ist. Um die Wärmekopplung mit
den Gehäuse zu gewährleisten wurden zusätzlich 2 Aluminium Bleche
zwischen Gehäuse und Kühlkörper eingeklemmt.
Auch muss das Potentiometer für die Spannung auf die Rückseite gelötet
werden und das Potentiometer für den Strom durch eine Steckverbindung
ersetzt werden. Der 2700 Ohm Widerstand wird dann direkt am Stecker
angelötet. Dies um zu vermeiden, dass schlechte Kontakte einen zu hohen
Strom einstellen können. Die Steuerspannung beträgt nämlich nur 10mV/A
oder 0.1V für 10A.
Entsprechend ist es so im Schema eingezeichnet.
Die Liste der verwendeten Komponenten und Bauteile ist in der Stückliste dokumentiert.
Gehäuse
Anordnung der Komponenten:
Frontplatte:
Boden und Deckel:
Halter für Stromsensoren:
 
Einseitig kupferbeschichtete Platine mit 5 Löcher und angelöteten
Muttern. Die Abstände der Löcher sollte stimmen damit man sie problemlos
montieren kann. Die Dimension der Platine von ca. 12x50mm ist aber
nicht so wichtig.
Lichtleiter für die LED des Spannungsreglers:
Auf dem Spannungsregler ist eine 2-Farbige LED welche den Zustand
anzeigt (Spannung=Grün, Strombegrenzung=Rot). Sie leuchtet also Grün
wenn Spannung anliegt und Rot wenn der Strom geregelt wird. Der
Lichtleiter ist in eine Kunststoff-Verschlusskappe gesteckt, welche dann
von der LED des Spannungsreglers angeleuchtet wird. Man kann dann noch
ein Stück Schlauch über die LED stülpen, welcher bis zur Verschlusskappe
ragt. So kann der Lichtleiter nicht herausfallen.
Komplett Bestückt
Die detaillierte Verkabelung der Komponenten ist im Schema ersichtlich.
Das seitliche Loch im Gehäuse muss sich mit dem USB Anschluss des
RP2040 decken so dass ein USB Kabel bei geschlossenem Gehäuse
eingesteckt werden kann wie auf der Übersichtsseite dargestellt.
Damit man auch ohne USB Anschluss die Stromsensoren nullen kann, ist
unter dem USB Anschluss eine kleine Drucktaste angebracht. Diese ist
auch im Schema ersichtlich. Die Masse als stabile Befestigung kann man
am USB Stecker anlöten. Das anbringen der Taste braucht etwas
"Fingerspitzengefühl". Andere Lösungen sind aber auch möglich.
 
Die Diode D1-XL0410, welche im Schema am Ausgang des
Spannungsreglers angeschlossen ist, ist eine elektronische Diode
bestehend aus einem
Power-MOSFET und einem Steuer-IC. Sie arbeitet verlustfrei, benötigt
aber einen Common Anschluss. Sie verhindert eine Rückwärts-Speisung des
Spannungsreglers und der Solar-Paneele aus der Batterie. Es sind Kabel angelötet und das Ganze ist in
einem Schrumpfschlauch zur Isolation.
Die Liste der verwendeten Komponenten und Bauteile ist in der Stückliste dokumentiert.
Display
Das 1.8-Inch Display ist in einem kleinen Kunststoff Gehäuse eingebaut,
welches auf einem 3D-Drucker gefertigt wurde. Als Frontscheibe dient ein
ausgeschnittenes Stück Polystyrol aus einer CD-Hülle. Darüber ist eine
Blende mit Schrauben befestigt, ebenfalls aus dem 3D Drucker.
Als Boden kann man ebenfalls Stück Polystyrol oder auch Plexiglas
anleimen. Oder im 3D Druck Design gleich das Gehäuse mit Boden drucken.
Das Kabel ist ein flaches Ethernet-Patch-Kabel, ca. 3m.
Trennt man es in der Mitte, können 2 Kabel mit RJ45 Stecker, 1.5m lang, für 2 Displays
verwendet werden. Die elektrischen Signale sind im Schema vermerkt und
ebenfalls ersichtlich bei den Display Anschlüssen. Am besten erst alles
anschließen und einstecken. Danach mit dem Ohmmeter die einzelnen LCD
Anschlüsse mit dem RP2040 auf die korrekte Verbindung testen bevor man
die Spannung einschaltet. 
Damit das Kabel nicht ausgerissen wird, kann man es mit einem Tropfen Leim befestigen.
Verbraucher Strom Sensor
Dieser Sensor ist ein Hall-Effekt Sensor mit geteiltem Kern welcher
Gleichströme bis +/- 20A messen kann. Das Kabel wird an einem 3.5mm Klinkerstecker
angeschlossen wie im Schema oben gezeigt.
  
Um korrekt anzuzeigen, werden alle Kabel zu den Verbrauchern durch den
Kern geleitet (im Bild grün markiert). Üblicherweise gibt es eine Strom-Verteiler-Einheit wo
die Sicherungen untergebracht sind und die Kabel angeschlossen werden.
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