Das Projekt im Einzelnen

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 68HC908Q*-Kontroller von Freescale (ehemals Motorola) mit Flash-Speicher.

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 blinkende und in Richtung blau laufende vier gelbe LEDs 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 mit Laufeffekt in Richtung rot der oberen vier 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 den Heizgriffen mitgelieferten Stufenschalter volle Spannung an die Heizgriffe gelegt. Der Prozessor sorgt dafür, dass nach 1,5 Minuten Anheizphase automatisch auf eine niedrige Stufe heruntergeschaltet wird. In der Zeit der Vorwärmung laufen die LEDs der Anzeige als optische Information für das Vorheizen von blau nach rot zur Signalisierung als Laufband durch. Dabei sind immer die Grenz-LEDs (rot und blau) sichtbar, was die Orientierung auch im Dunkeln erleichert. Ist das Vorwärmen beendet, wird in den normalen Betriebsmodus geschaltet. Die Grenz-LEDs leuchten und der derzeitige 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 Anzeige-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 (PWM) 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.

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

Der Aufbau der Platine beinhaltet einen zweireihigen 16-poligen Steckverbinder der N-Lock-Micro-Familie, über den das Bedienteil angeschlossen wird. Die Steckverbinder zu den Heizgriffen sind nun als Anschlusspeitsche mit Japansteckern ausgeführt. Damit können beispielsweise an den Daytona Heizgriffen die originalen Stecker verwendet werden. 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 der SV 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. Selbstverständlich kann das auch anders gelöst werden, indem man am Kabelbaum z.B. ein Standlicht oder die Zündung für die Relaisansteuerung benutzt.