Wir alle wissen: Igor`s LAB und zuverlässige Messtechnik gehören zusammen wie Zeter und Mordio und obwohl das eine alte Interjektion aus der Gerichtsbarkeit ist, trifft sie den Sinn doch ganz gut. Ich, Bernhard von CrankzWare, wurde von Igor konsultiert und um praktische Hilfe gebeten, um gemeinsam einen Messtechnik-Prototypen als TDP-Simulator zu entwickeln und quasi auch real existierend auf die Welt zu bringen. Natürlich stehe ich meinem lieben Freund gerne mit Sach- und Fertigungsverstand zur Seite, so dass dieses Projekt am Ende nicht nur sehr viel Spaß gemacht, sondern auch ordentlich Nerven gekostet hat. Also genau so, wie es sich für ein anspruchsvolles Vorhaben auch gehört. Sonst wäre das Leben ja fade und langweilig.
Aber um was geht es jetzt im Konkreten? Igor möchte Kühlungskomponenten und Wärmeleitmittel, egal ob luft- oder wassergebunden, zuverlässig und auch reproduzierbar testen. Im Primärfokus steht bei diesem Vorhaben die genaue Regelung der Abwärme in Watt, sekundär natürlich auch die Nachvollziehbarkeit und die Eignung im Einsatz einer Laborumgebung. Es geht also, kurzgesagt, um die Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie. Was besonders spannend bei diesem Vorhaben ist: Ich muss mit Absicht genau das emittieren, was Chips eigentlich nur als lästige Nebenerscheinung ausstoßen, nämlich Hitze.
Als Lastenheft wurden mir folgende Maxime vorgeschrieben:
- Sicherer Betrieb
- Hohe Belastbarkeit
- Genaue Messtoleranzen (</=1%)
- Hohe Reproduzierbarkeit aller Tests
- Skalierbarkeit und Editierbarkeit der Aufbauten
- Vorgefertigte TDP-Stufen für übliche Abwärmeklassen mit Fein-Tuning
- Universeller Aufsatz, um vielfältige Messungen auch spartenübergreifend zu ermöglichen
Da ich kein Metaller bin und es sicher auch nie werde, wird Igor die weiterführenden Arbeiten wie spezielle Auflageflächen für Wärmeleitpads mit speziellen Sensoren und Druckverstellung noch selbst weiterentwickeln und fertigen (lassen). Mein Part ist der einer möglicht genauen Hitzeschleuder als verlässliche und strapazierfähige Basis. Der Rest ist dann eine reine Zubehörentwicklung und nicht mehr mein Ding. Doch auch der Aufbau der Heizstation ist etwas kniffliger geworden, als anfangs gedacht. Doch ich will nicht vorgreifen.
Die Konzeption
Wenn Strom in Hitze umgewandelt werden soll, denkt man zuerst immer an die Temperaturfestigkeit möglicher Komponenten und Baugruppen. Natürlich habe ich mich in diesem Kontext dann für ein Aluminium-Gehäuse entschieden, denn eine thermische Entkopplung zwischen Heizkern und Gehäuse kann mir ja niemals wirklich zu 100 % gelingen. Der nächste Gedanke war dann, wie man diesen Prototypen sicher im Betrieb gestalten kann. Die Antwort ist, zumindest bei funktionierender Haustechnik denkbar einfach: Eine Eingangssicherung, sowie eine anständige Erdung des Gehäuses sind die üblichen Mindestanforderungen.
Weiter geht es dann mit der generellen Elektronik: Wir verwenden Netzteilbausteine, die unsere 230V Wechselstrom zu 12V Gleichstrom umwandeln. Der Heizkern wird diese 12V dann benutzen, um Strom effizient in Hitze umzuwandeln. Hierbei gibt es zwei grundsätzliche Ideen: Entweder benutzt man Heizkartuschen, um den Heizkern zu befeuern, oder Lastwiderstände. Beides sollte funktionieren, ich habe mich aber in letzter Konsequenz für zweiteres entschieden, den Grund erfahrt ihr später.
Die meiste Arbeitsleistung verschlingt die Steuerung. Diese soll schnell, präzise und nachvollziehbar sein. Natürlich ist es im ersten Schritt gut, wenn wir uns die Energieumwandlung im Generellen ausgedacht haben, aber Leistung ohne Kontrolle ist auch nichts wert. Da wir es als „Verbraucher“ ausschließlich mit Heizkartuschen oder Lastwiderständen zu tun haben, ist meine Lösung: Endstufe, PWM-geregelt auf Low-Side.
Da der Status, sowie die Einstellungen des Gerätes auch in raueren Umgebungen schnell und zuverlässig funktionieren muss, (und weil mein Softwareentwickler kapazitätstechnisch aus dem letzten Loch pfeift), bleiben wir hier bei Analogtechnik. Natürlich würde sich hier auch ein programmierbares Display anbieten, aber dafür bräuchte ich erheblich mehr Entwicklungszeit, also tun es in diesem Fall erst einmal LEDs und ein Potentiometer, sowie ein paar beleuchtete LCDs.
Ich hatte meinen Spaß beim Planen und dem Zusammenbau, Ihr habt ihn jetzt (hoffentlich) beim Lesen. Und ich kann Euch jetzt schon versprechen, es wird sicher interessant und alles andere als zu theoretisch und langweilig. Wir sind ja immer noch Handwerker und Entwickler, keine Politiker 🙂
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