erster Versuch

Frühjahr 2009

So habe ich mich für eine Zweiteilung der Steuerung entschieden. Für die Ergonomie habe ich zwei recht große wasserdichte Drucktasten gewählt, die entsprechend ihrer Funktion wärmer/kälter in den Farben rot und blau ausgeführt sind. Das kleinstmögliche verfügbare Gehäuse mit einer Dichtheitsoption ergab sich durch die Tiefe und Größe der Tasten. Da die Anzeige so aufgebaut sein sollte, dass auch ein Nicht-Techniker sie ohne Probleme bedienen kann, habe ich eine LED-Bar zur Anzeige des Status eingebaut. Begrenzt wird die Bar links und rechts jeweils durch eine LED entsprechend der Funktion. Eine blaue LED am Kalt-Ende und eine rote LED am Warm-Ende. Dazwischen sind gelbe LEDs für die Anzeige der jeweiligen Position zuständig.

Die eigentliche Steuerung befindet sich bei mir in einem zweiten Kästchen direkt unterhalb des Tachos. Da die Leitungslänge unproblematisch ist, kann man natürlich auch einen beliebigen anderen Ort für die Unterbringung des Kästchens wählen. Im Bedarfsfall müssen aber die Zuleitungen der Heizgriffe verlängert werden, die meist seitens der Hersteller nicht sehr lang sind.

Alle Steckverbinder sind mit Rastung ausgeführt. Das verhindert auch bei stärkeren Schwingungen eine unfreiwillige Lockerung der Kontakte.

Im Inneren werkelt ein Single-Chip-Prozessor der Open Micro Familie. Der Open-Micro ist ein 68HC908QT4-Kontroller von Freescale (ehemals Motorola), in dessen Flash-Speicher ein von Dietmar Harlos und René Stadler erstelltes Betriebssystem geladen wird. Er ist weitgehend kompatibel zur C-Control/Micro, bietet allerdings einen deutlich größeren Funktionsumfang bei geringeren Kosten. Der Open-Mini basiert dagegen auf einem 68HC908QY4-Kontroller im PDIP-16-Gehäuse. Somit stehen auf der Open-Mini 14 I/O-Ports und auf der Open-Micro immerhin 6 Ports zur Verfügung, die mehrfach belegt sind. Der Open-Mini ist vollkompatibel zur Open-Micro. Er besitzt einfach nur 8 zusätzliche Ports.

ein paar Details

Da der Prozessor allein mit der Steuerung der Heizgriffe nicht unbedingt ausgelastet ist, habe ich noch ein paar Zusatzfunktionen integriert.

Zusatzfunktionen (hier blinkt immer irgendwas)

Der Betrieb der Heizgriffe kann nur erfolgen, wenn die Bordspannung einen Mindestwert erfüllt. Ist also die Batterie entladen, kann die Griffheizung nicht eingeschaltet werden. Da das Display im normalen Betrieb dunkel ist, kann somit eine ungewollte Entladung der Batterie durch die Heizgriffe nicht eintreten. Dieser Schutz greift auch bei laufendem Motor. Sollte nämlich die Lichtmaschine einmal ihren Geist aufgeben und man ist noch ein paar Kilometer vom rettenden Hafen entfernt, sollten so wenig wie möglich Verbraucher eingeschaltet sein. Die Griffheizung ist ein nicht zu unterschätzender Stromfresser. Unterspannung wird durch eine blinkende gelbe LED neben der blauen Grenz-LED angezeigt.
Geht der Regler der Lichtmaschine mal kaputt, kann die Spannung im Bordnetz über die zulässige Spannung hinaus gehen. Das hätte dann auf Dauer schwerwiegende Folgen für die Bordelektrik/-elektronik. Dieser Zustand wird durch schnelle Blinksignale der oberen LEDs (nahe der roten Grenz-LED) angezeigt.

Normalbetrieb (hier blinkt nichts)

Mit dem Start der Heizung (betätigen einer der beiden Tasten) wird das Vorheizen gestartet. Hier wird genau wie mit dem Stufenschalter volle Spannung an die Heizgriffe gelegt. Der Prozessor sorgt dafür, dass nach 1,5 Minuten automatisch auf eine niedrige Stufe heruntergeschaltet wird. In der Zeit der Vorwärmung laufen die LEDs der Anzeige als optische Information für das Vorheizen von Low nach High zur Signalisierung als Laufband durch. Zusätzlich sind immer die Grenz-LEDs (rot und blau) sichtbar, was die Orientierung auch im Dunkeln erleichert. Ist das Vorwärmen beendet, wird in den normalen Modus geschaltet. Die Grenz-LEDs leuchten und der Status wird angezeigt. Nach vier Sekunden gehen alle LEDs aus. Jeder Druck auf eine der Tasten schaltet die LEDs wieder ein und erhöht oder erniedrigt die Temperatur der Griffe. insgesamt sind 15 Stufen eingebaut, die von Null bis 60% Heizleistung reichen. Nach 4 Sekunden Nichtbetätigung der Tasten werden die LEDs wieder abgeschaltet.

Technische Umsetzung

Die Steuerung übernimmt ein Open Mini (68HC908QY4) Er verfügt über 14 Ports. Vier davon sind als Eingänge definiert. Die restlichen Ports sind Ausgänge. Die Eingänge fragen Tastenbetätigung, Boardspannung und eventuelle Programmierung (Status-Umschaltung) ab. Die Hardware ist unspektakulär, da Tastenentprellung und Spannungswandlung der Prozessor übernimmt und der Rest rein digital abläuft.
Ausgangsseitig sind 8 Ports für die Status-LEDs, ein Port für die Grenz-LEDs und ein Port für den Pulsweitenmodulator für die Heizgriffe definiert. Da es galt, die Ports des Prozessors gegen eventuelle Kurzschlüsse z.B. durch Beschädigung am Kabel zu den LEDs zu schützen, ist dort ein Leitungstreiber-IC eingesetzt. Dieser IC kann außerdem die Verlustleistung aller angeschlossenen und eingeschalteten LEDs zugleich verarbeiten, was den Prozessor überfordern würde. Die Vorwiderstände begrenzen den LED-Strom. Die beiden Grenz-LEDs werden gemeinsam mittels des Transistors T2 geschaltet.

Klick auf die Bilder zeigt sie in Originalgröße

Für die Ansteuerung der Heizgriffe ist wegen des recht hohen fließenden Stroms schon etwas mehr Aufwand notwenig. Der Einsatz eines Power-MOS-FETs bietet sich hier an. Allerdings müssen bei diesen Strömen die Umschaltgeschwindigkeiten optimiert werden, da sonst der MOS-FET trotz digitaler Schaltung zu warm wird. Dazu nachfolgende Überlegung.

Bei einem Konstantstrom von 5 Ampere ergibt sich eine Verlustleistung von rund 0.6 Watt, es ist also keine Kühlung notwendig. Volle Betriebsspannung liegt aber nur beim Einschalten an. Dazwischen wird durch die PWM permanent umgeschaltet. Das Umschaltverhalten der MOS-FETs ist aber problematischer. Hier treten gleichzeitig hohe Ströme und Spannungen entlang der Drain-Source-Strecke des MOS-FET auf. Das führt zu Verlusten und damit zur Erwärmung des MOS-FET. Diese Umschaltverluste sind größer als die Verluste im leitenden Zustand. Daher muss das Umschalten so schnell wie möglich erfolgen. Das Gate, dass sich wie ein Kondensator verhält (Innenwiderstand extrem hoch) muss beim Umschalten schnellstmöglich geladen bzw. entladen werden. Diese Zeit wird also von der Kapazität des Gates und vom Innenwiderstand der Ansteuerstufe bestimmt. Um also große Ströme mit großen MOS-FETs (haben größere Gate-Kapazitäten) zu schalten, sind auch recht große Umschaltströme erforderlich. Der Innenwiderstand der Ansteuerstufe muss dazu möglichst klein sein. Der Prozessor hat aber keine solche Ausgangsstufe. Daher wäre eine zusätzliche Ansteuerstufe notwendig. Hinzu kommt, das der niedrige Innenwiderstand der Drain-Source Strecke von MOS-FETs, der ja gerade sein Vorteil ist, erst bei einer Ansteuerspannung am Gate von ca. 12 Volt erreicht wird. Die logische Spannung am Ausgang des Prozessors beträgt aber nur maximal 5 Volt bei High-Pegel.
Da das Hinzufügen einer Ansteuerstufe aber die Baugröße der Elektronik insgesamt wieder steigern würde, habe ich auf einen Logic Level TOP-FET zurück gegriffen. Dieser beinhaltet bereits eine Logik zur Ansteuerung. Der damit erreichbare ON-Widerstand Drain-Source liegt bei 0,125 Ohm. Großer Vorteil dieses MOS-FET ist die integrierte Ansteuerstufe, die zugleich auch noch für eine Pegelanpassung zum Logik-Pegel des Prozessors sorgt. Besonders vorteilhaft ist die ebenfalls integrierte Kurzschlussüberwachung, die eine Zerstörung des MOS-FET im Kurzschlussfall verhindert.

Der PWM taktet zwar nicht sehr hoch, aber immer noch hoch genug, dass es keine spürbaren Rückwirkungen durch Ein- und Ausschalten im Bordnetz gibt. Dennoch sind die Umschaltströme nicht zu vernachlässigen. Entgegen meinen ursprünglichen Vorstellungen, einen BUZ11 mit Drain-Source-Widerstand 0,04 Ohm einzusetzen, braucht der TOP-FET trotz optimierter Ansteuerung ein kleines Kühlblech (ca 3 Watt Verlustleistung), welches aber im Gehäuse bleibt. Mit Kühlblech wird er nur noch lauwarm, was damit vollkommen ausreichend ist.

Klick auf die Bilder zeigt sie in Originalgröße

Diese Gehäuse läßt sich durch eine angeschraubte Halterung sowohl links als auch rechts anbauen. Im Beispiel ist es ein kleines Stück Flachstahl. Das könnte aber auch ebenso eine Schelle sein.

Der Aufbau der Platine beinhaltet einen zweireihigen 16-poligen Steckverbinder der N-Lock-Micro-Familie, über den das Bedienteil angeschlossen wird. Die Steckverbindern zu den Heizgriffen (ebenfalls N-Lock-Micro) sind als Snap-in in das Gehäuse eingesetzt. Die Zuleitung der Betriebsspannung erfolgt über ein Kabel mit N-Lock-Mini-Steckverbinder. Somit läßt sich das Modul komplett in kürzester Zeit ausbauen oder wechseln bzw. bei Abbau von Motorradteilen wie Kanzel o.ä auch mal schnell abkabeln. Die Stecker sind unverwechselbar. Damit ist eine versehentliche Verpolung ausgeschlossen.

Für den Anschluss der Heizgriffe und deren Steuerung sollte man sich aber eine extra Zuleitung von der Batterie inklusive Leitungssicherung und Schaltrelais einbauen. Diese Leitung kann dann auch gleich eine Bordsteckdose o.ä. versorgen. Und hier komme ich auf die erwähnte zweite Leitung vom Tacho zurück. In den Tacho wird ja bereits die Leitung vom Gangsensor hineingeführt. Zieht man also gleich eine zweite Leitung mit ein, kann man das im Tacho anliegene "Zündung ein"-Signal wieder herausführen (zurück unter die Sitzbank) und damit das Lastrelais für die zusätzlichen Verbraucher schalten. Damit wird der originale Kabelbaum in Ruhe gelassen und es ist eine sichere Lösung.

Die ersten Fahrbetriebserfahrungen liegen nun vor. Tolle Sache an sich. Aber die Abstufung der einstellbaren Stufen könnte noch etwas feiner erfolgen. Es gar keinen praktischen Sinn den gesamten Bereich von 0 bis 60% abzudecken. Ich gehe da schon erheblich weiter als im Original mit dem Stufenschalter, der in der Betriebsstellung auf ca. 12 Watt kommt, wenn ich den Bereich auf 50% einstelle. Mit 15 Stufen kriegt man das recht fein eingestellt. Mir hatte Stufe 4 beim Fahren von der Wärme her vollkommen gereicht.