Praktikum Entwurf und Realisierung eines Spannungswandlers mit Standardbausteinen aus der Mikroelektronik

Vortragende/r (Mitwirkende/r)
Nummer0000006078
ArtPraktikum
Umfang5 SWS
SemesterWintersemester 2022/23
UnterrichtsspracheDeutsch
Stellung in StudienplänenSiehe TUMonline
TermineSiehe TUMonline

Teilnahmekriterien

Siehe TUMonline
Anmerkung: Im Labor können sich maximal 10 Personen gleichzeitig aufhalten, da es nur 5 Arbeitsplätze gibt. Die Teilnehmerliste ist vorerst auf 16 Teilnehmer beschränkt. Es wird 2 Labortage geben, an denen jeweils 4x 2er Teams ins Labor können und Tutorstunden stattfinden. Diese Tage werden während des Kick-Off Termins festgelegt. D.h. jede Gruppe kann 1x pro Woche ganztägig das Elektroniklabor nutzen. Fixplätze werden während der Kick-Off Veranstalung vergeben. Die Teilnhame daran ist deshalb verpflichtend. Sollten mehr als 16 Studierende anwesend sein, werden die Plätze nach dem First-Come-First-Serve Prinzip (Anmeldezeit) vergeben. Die Teilnahme an der Präsenz-LV ist ausgeschlossen, wenn Sie am Tag der LV SARS-CoV-2 typische Symptome aufweisen, unter Quarantäne stehen oder ein positives Testergebnis jedweder Art vorliegt. Informieren Sie sich vorab unter https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/coronavirus/corona-lehre-pruefungen/ über die Teilnahmevoraussetzungen.

Lernziele

Nach der Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage, eigenständig Schaltungslösungen für eine bestimmte Problemstellung zu erstellen. Außerdem können die Studierenden diese Schaltungen für den Einsatz charakterisieren und testen. Studierende lernen die Grundlagen für das Arbeiten im Elektronik-Labor, wie z.B. die Benutzung eines Oszilloskop und das Aufbauen einfacher Schaltungen mit ICs, Widerständen, Kondensatoren und Jumpern. Wichtige Strategien zur Fehlersuche in Code oder Schaltungen werden gefestigt. Außerdem sollen durch die Verwendung des Microcontrollers für die Steuerung eines Spannungsreglers auch der Grundgedanke für die Prototyp-Entwicklung von elektronischen Systemen näher gebracht werden.

Beschreibung

Ziel des Praktikums ist die Regelung eines Spannungswandlers (Buck-Converter). Es gibt ein vorgefertigtes Demoboard, das alle Leistungsbauelemente enthält. Die Steuerung erfolgt mit einem XMC1100 Mikrokontroller von Infineon. Der Microcontroller besitzt eine Arduino-Oberfläche und kann somit leicht programmiert werden. Es werden keine Programmier-Vorkenntnisse erwartet. Das Praktikum beginnt mit einfachen Versuchen, wie dem Blinken einer LED ("Hello World") und dem Einlesen von Spannungspegeln am Eingang des ADC des Mikrocontrollers. Zum Kennenlernen des Boards müssen verschiedene Sensoren ausgelesen werden und die Schematics verstanden werden. Nach diesem Intro lernen die Studierenden die Funktionsweise einen Buck-Converters und verstehen den Entwurf sowohl eines digitalen als auch einen anlogen Reglers. Hierfür wird die Matlab-Software genutzt. Nach der erfolgreichen Implementierung werden noch verschiedene Messungen zur Charakterisierung der Performance gemacht. Hierbei lernen die Studierenden verschiedenes Laborequipment zu bedienen (Spannungsversorgung, Oszilloskop, etc.). Die analoge Reglerimplementierung erfolgt auf einem Breadboard mit bekannten ICs.

Inhaltliche Voraussetzungen

Festkörper-, Halbleiter- und Bauelementephysik; Elektronische Schaltungen; Regelungstechnik 1

Lehr- und Lernmethoden

Die Arbeit erfolgt in 2er Teams nach Vorgabe des Skripts. Die Einteilung der Arbeit erfolgt nach selbständiger Einschätzung (es gibt keine Anwesenheitspflicht), jedoch gibt es empfohlene "Milestones" als Orientierung. Wöchentliche Tutorstunden (2-3 Std pro Termin) sollen helfen eventuelle Unklarheiten zu beseitigen.

Studien-, Prüfungsleistung

Das Modul wird in Form einer Laborübung durchgeführt. Die Prüfung besteht aus einem selbstständig verfassten Praktikumsbericht, der am Ende des Semesters auf Moodle hochgeladen werden soll (Dokumentation der aufgebauten Schaltung, des Programmcodes, und der erzielten Messergebnisse) und einer kurzen Vorführung der erzielten Schaltungsperformance mit Hilfe des Demoboards zu einem festgelegten Termin am Ende des Praktikumszeitraumes (15 Minuten).

Empfohlene Literatur

R. W. Erickson, D. Maksimović, "Fundamentals of Power Electronics"

Links