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SoSe 2025 Projektpraktikum Elektronik für die Studiengänge Mechatronik und Robotik

Prof. Dr.-Ing. Jörg Vollrath

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Motivation

In der Mechatronik und Robotik stellen elektronische Komponenten die Funktionalität sicher.
Es soll ein elektronisches System mit einer Signalquelle (Sensor), Signalverarbeitung und Aktor theoretisch beschrieben, simuliert, aufgebaut und gemessen werden.
Es werden typische elektronische Bauelemente, Schaltungen, ein Funktionsgenerator, Multimeter und Oszilloskop mit Datenblättern, Theorie, Modell und Messungen kennen gelernt.
Startpunkt ist der Entwurf einer LED Ansteuerung, mit Kennenlernen der Simulation, des Electronic Explorers, der Messgeräte, der Messung der Diodenparameter und Dimensionierung eines Widerstandes zur Strombegrenzung.
Mit den zur Verfügung stehenden elektrischen Komponenten soll dann eine Schaltungsidee entwickelt, realisiert, gemessen und dokumentiert werden.
Ein Beispiel für ein kleines durchgeführtes Projekt ist der Ringoszillator.

Projektideen des letzten Semesters und für dieses Semester

Ein Audioverstärker liefert ein Tonsignal von der Klinkenbuchse zu einem Lautsprecher.
Eine oder mehrere Solarzellen betreiben einen Motor oder eine LED bei der man Drehzahl oder Helligkeit einstellen kann.
Eine Wägezelle (Gewichtsmessung) liefert ein Signal für ein Relais, einen Motor oder eine LED.
Man untersucht eine oder mehrere Schaltungen der Vorlesung Elektronik 1-3 oder der Praktikumsversuche.

Quellen und Sensoren

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Signalverarbeitung

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Aktor

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Geräte

Breadboard, Electronic Explorer, Multimeter, Seitenschneider, Komponentenabbiegevorrichtung

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Koffer

Einkaufsliste: Wägezellen (1 kg), Solarzellen, Hallsensoren, USB Spannungsversorgung, LEDs, MOSFETs, Servos, Relais, BLDC Motoren
YZC-133 Kraftsensor, 0 ...1 kg, YZC-133, 20 x Preis 3.-
DEBO HX711-01 Entwicklerboards - A/D Wandler - Waage, 1 kg, 20 x Preis 7.-
SOL-EXP 77774 Klassensatz Solarantrieb, 20 Stück, 1 x Preis 88.40
ARD SEN HALL2 Arduino - Hall Magnet-Sensor, 20 x Preis 1.60
QUAD 201711O002 LED-Sortiment 5 mm Superhell + Vorwiderständen, Fassungen, 1 x Preis 7.70
ARD KIT PARTS01 Entwicklerboards - Elektronik Bauteile Kit 1, 10 x Preis 10.50
G2R-1-E DC5 Leistungsrelais, THT, 5 VDC, 16A, 1 Wechsler, 20 x Preis 2.20
P-NUCLEO-IHM002 STM Motor evaluation kit, 1 x Preis 57.50.-
NUCLEO F302R8, 2 x Preis 16.20
TI MSP430 Launchpad, 2 x Preis 25.-
Infineon XMC4700 Relax Kit, 2 x Preis 36.-
Summe: 620.-

Das zu entwerfende System besteht aus Blöcken und Bauteilen. Nach Charakterisierung der Funktionsweise (UI Kennlinie) der Bauteile und Blöcke durch Gleichungen, Simulationen und Messungen und Vergleich mit dem Datenblatt kann das Gesamtsystem zusammengestellt (Auswahl der Schaltungstopologie, der Versorgungsspannungswerte, der Widerstände, Operationsverstärker, MOSFETs und Kapazitäten) und optimiert werden.

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Ablauf

Dies ist ein Projektpraktikum mit 3 SWS begleitet von 1 SWS Projektmanagment.
Es werden Gruppen zu jeweils 4 (3) Studierenden gebildet, die 2 Schaltungsaufbauten durchführen.

Zwei Blöcke zu jeweils 180 min stehen pro Woche im Labor mit Betreuung und Diskussion des Arbeitsfortschritts zur Verfügung.

Sie Arbeiten und Organisieren sich selbständig, suchen Informationen und führen die herausgearbeiteten Arbeitsschritte durch.

Für alle Arbeitsschritte gibt es Praktikumsanleitungen (Schritt für Schritt), Vorlesungsskript und meistens Videos.

Lesen Sie sich diese Seite sorgfältig durch und sammeln Sie Fragen.

Sie können auch Alternativen mit Ihrem Betreuer diskutieren.

Viel Spass

Durchführung SS2024

Es gibt Blöcke a 4 x 45 min. Projektplanung und Projektpraktikum gehören zusammen.
Die Aufgabenbeschreibung wird im Sommersemester beim Start vorgestellt.
Für die Projektplanung gibt es 3/2/1 Gruppe(n)?
Für die Projektdurchführung gibt es 3 Gruppen mit 3 Terminen Mo 14:00, Mi 11:45, Mi 15:45

Nr	Datum	Semesterplanung	Thema
01	18.3.2024 Mo 20.3.2024 Mi	Projektplanung 1	Rollik-Bachem
02	25.3.2024 Mo Gruppe A,B 27.3.2024 Mi 11:45 Gruppe C,D 27.3.2024 Mi 15:45 Gruppe E,F	Projektarbeit 1 Start: LED Ansteuerung Lesen Sie die Versuchsanleitung vor dem Praktikum durch. Schauen Sie sich das Video an.	Vollrath
03	03.04.2024 Mi	Projektplanung 2	Rollik-Bachem
04	8.4.2024 Mo Gruppe A,B 10.4.2024 Mi 11:45 C,D 15:45 E,F	Projektarbeit 2	Vollrath
05	15.4.2024 Mo A,B,C 22.4.2024 Mo D,E,F	Projektarbeit 3	Vollrath
06	24.4.2024 Mi 11:45 A,B 15:45 C,D 29.4.2024 Mo E,F	Projektarbeit 4	Vollrath
07	06.5.2024 Mo E,F 08.5.2024 Mi 11:45 A,B 15:45 C,D	Projektarbeit 5	Vollrath
08	13.05.2024 Mo	Projektplanung 3	Rollik-Bachem
	15.05.2024 Mi 14:00 A,B,C	Projektarbeit 5a	Vollrath
09	27.5.2024 Mo A,C,D 29.5.2024 Mi 11:45 B,E,F 15:45 entfällt	Projektarbeit 6	Vollrath
10	3.6.2024 Mo A,B 5.6.2024 Mi 11:45 C,D, 15:45 E,F	Projektarbeit 7	Vollrath
11	10.06.2024 Mo	Projektplanung 4	Rollik-Bachem
12	17.6.2024 Mo E,F 19.6.2024 Mi 11:45 A,B 15:45 C,D	Projektarbeit 8	Vollrath
13	24.6.2024 Mo C,D 26.6.2024 Mi 11:45 E,F, 15:45 A,B	Projektarbeit 9	Vollrath
14	1.07.2024 Mo	Projektplanung 5 Abschlussreview	Rollik-Bachem
15	2.7.2024 Di 8:00-9:30, 14:00-15:30	Projektergebnisse 10 Präsentation	Vollrath

Bewertung des Berichts

Typische Berichte haben erfahrungsgemäß eine Länge von etwa 22 Seiten.
Maximal 2 Personen dürfen einen Bericht zusammen abgeben, indem klar ersichtlich ist, welcher Teil von welcher Person erstellt wurde (Namenskennzeichnung). Dann sollte der Bericht entsprechend länger sein.
Anzahl Formeln, Anzahl Fotos, Anzahl Simulationen, Anzahl Messungen, Textlänge (kByte).
Die Anzahl wird jeweils mit der Qualität (verständlich, lesbar, kommentiert) gewichtet.

Präsentation und Bewertungsbogen

Es steht ein Bewertungsbogen zur Verfügung zum Ausfüllen während der Vorträge.
Die Präsentationen finden nach jetziger Planung in Präsenz in Raum T129/130 T138 statt.
Hier finden Sie eine Beispielpräsentation und ein weiteres Beispiel
Bitte schicken Sie mir die Präsentationen vorher per Email, damit ich von einem PC aus die Präsentationen ohne Hardwarewechsel steuern kann.
Da 180 min für 20..24 Personen zur Verfügung stehen, gehen Sie bitte bei der Präsentation von etwa 3..5 min Vortragszeit pro Person aus, damit noch Zeit für Rückmeldungen und Fragen übrig bleibt.
Bewertungsbogen

Bewertung, Organisatorisches

Denken Sie bitte daran, eine wöchentliche Kurzmail über ihren Arbeitsfortschritt zu senden (Das geht in die Bewertung ein).
Die Präsentationen finden am 02.07.2024 um 8:00-9:30 und 14:00-15:00 für alle gemeinsam statt.
Am Präsentationstermin gibt jeder Teilnehmer eine Abschätzung des individuellen Breitrags der Gruppenmitglieder zur Gesamtarbeit ab.
Die Ausarbeitungen müssen bis zum 08.07.2024 vorliegen (Ausdruck oder elektronische Kopie, wie mit dem Betreuer vereinbart).

Bitte senden Sie jede Woche eine kurze Email mit den Stichpunkten ihrer Aktivitäten an ihren Betreuer.
Bitte planen Sie ca. 1 Din A4 Seite Bericht pro 90 min Projektpraktikum.
Bitte machen Sie einen Coronaschnelltest vor dem Präsenzpraktikum und bringen Sie das Ergebnis mit.

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Bitte führen Sie hier eine online Evaluation der Veranstaltung durch.

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Beispiel: Ringoszillator

Als Beispiel für ein verkürztes Projektpraktikum gibt es eine Ringoszillatorschaltung.
Link: Ringoszillator

Bedienung Electronic Explorer

Link: Bedienung Electronic Explorer
Ein stehendes formatfüllendes Oszilloskopbild, Oszilloskop Messungen (Amplitude, Mittelwert), xy-Darstellung einer Kennlinie, Messwertaufnahme
Spannungsgenerator und Funktionsgenerator

Kurzvideos

Praktikumsanleitungen

Hinweis auf die Verwendung der Praktikumsanleitungen (Schritt für Schritt Beschreibung)

• Quellenmessung: Innenwiderstand, Amplitude oder Leerlaufspannung
• Kapazitäts- und Induktivitätsmessung
• Messung und Simulation MOSFET
• Operationsverstärker Messung
• Messung und Simulation Operationsverstärker
• LTSPICE und Versuch LTSPICE
• Alle Versuchsanleitungen

Schaltungsaufbau und Löten
SMD Löten

Berichte

Keine ich oder wir Form.
Der zeitliche Ablauf kann in einem Projektplan dargestellt werden.
Der Projektplan umfasst eine Tabelle mit Terminen als Spalten und Aufgaben, Personen, Resourcen als Zeilen.
Der Projektplan wird durch einen Erläuterungstext ergänzt.
Es gibt eine Liste der verbrauchten, verwendeten Materialien.

Schaltpläne, Messwerte, Messwertdarstellungen sollten im Text erläutert werden.
Dateinamen und das Dokument sollten den Namen des Autors enthalten.
LTSPICE Abbildungen sollten einen weissen Hintergrund (Tools, Color Preferences) haben.
Die Bilder haben eine Bildunterschrift.
Es gibt ein Literaturverzeichnis. Internetquellen werden mit Link und Abrufdatum angegeben. Zur persönlichen Sicherung kann ein pdf-Ausdruck der Seite in einem Verzeichnis abgelegt werden.
Kleine Fenster bei Bildschirmkopien haben eine erkennbar grosse Schrift.

Es gibt eine Anleitung zum Erstellen von Arbeiten in Moodle.

Fragen

Was wissen Sie über Quelle, Operationsverstärker, MOSFET, Filter, Bandpass, Aktor?

Haben Sie für ein Bauteil, die Teilschaltung eine Gleichung/Theorie, ein Datenblatt, ein Schaltbild, einen Aufbau, eine Messung, Parameter und eine Simulation (LTSPICE)?

Wie sieht die Spezifikation, die Dokumentation, das Datenblatt ihrer Schaltung aus?

	Quelle	Aktor	Bauteil 1	Bauteil 2	Block 1	Block 2	Block 3	Gesamtschaltung
Theorie
Datenblatt
Modell
Simulation
Messschaltung
Messdaten

Wie ist das statische I(U) oder Uaus(Uein), dynamische U(f) Verhalten, die Leistung und der Wirkungsgrad einzelner Bauelemente und Schaltungen?

Referenzen

Vorlesung Elektronik 1
Vorlesung Elektronik 3 (Alt)
Praktikum Elektronik 3 (Alt)

MOSFET Verdrahtung

NFET 2SK209, PFET SSM3J338
Sie finden noch weitere MOSFETs in der Box.

Lautsprecher

Reichelt

Digikey

LTSPICE Schaltbild herunter laden

Auf meinen Seiten: Rechtsklick auf die Schaltung.
Es erscheint eine Liste aller benötigten Dateien.
Diese nacheinander mit Rechtsklick 'Ziel speichern unter' herunterladen.
Die Hauptdatei in LTSPICE öffnen und simulieren.

Ansonsten im Internet den Schaltplan nach zeichnen, Modelle suchen, Simulation erstellen, Simulieren.
Es stehen jetzt noch die Transistoren TN0702 (NFET) und LP0701 (PFET) zur Verfügung.
Beachten Sie die maximale Leistungsaufnahme der Transistoren bei den Messungen und im Betrieb.
Es stehen 1uF, 4.7uF, 10uF, 47uF und 100 uF Kondensatoren zur Verfügung.
Es stehen 1 W 1Ω, 5Ω und 9Ω Widerstände zur Verfügung.

Transistor Model

MOSFET Modelle werden in der Vorlesung 16 MOSFET beschrieben.

Opamp Model

Suchen Sie im Internet nach einem LTSPICE Model für den Operationsverstärker.
Laden Sie das LTSPICE Model herunter.
Sie haben eine Datei TLC272.sub mit der Netzliste des Operationsverstärker als Schaltkreis.
Laden Sie das Symbolfile OpAmp5.asy
Das Symbolfile sollte genau so viele Anschlüsse haben, wie der subckt in der Datei TLC272.sub.
Ändern Sie den Dateinamen entsprechend ihrer OpAmp Bezeichnung z.B. "TLC272.asy".
Öffnen Sie die Datei mit einem Texteditor und ersetzen Sie OpAmp5 an 3 Stellen mit dem benötigten Namen.

SYMATTR Value OpAmp5
SYMATTR Prefix X
SYMATTR SpiceModel OpAmp5.asc
SYMATTR Value2 OpAmp5
SYMATTR Description Precision Operational Amplifier

Unter SpiceModel sollte der heruntergeladene Opamp Dateiname stehen.

SYMATTR Value TLC272
SYMATTR Prefix X
SYMATTR SpiceModel TLC272.sub
SYMATTR Value2 TLC272
SYMATTR Description Precision Operational Amplifier

Danach können Sie das Model verwenden.
Unter 'Component' wechseln Sie oben zum aktuellen Verzeichnis. Dort wird Ihnen das Symbol TLC272 dann zur Auswahl angezeigt.

Dies ist der Pfad zu LTSPICE: L:\apps\LTC\LTspiceIV\scad3.exe

Lessons Learned

Achtung manche Breadboards haben in der Mitte eine Unterbrechung der horizontalen Spannungsversorgungsleitungen.
Niederohmige Widerstände müssen eine höhere Maximalleistung haben. I = 300mA, R = 10 Ohm, P = 0.9 Watt
Es müssen höhere Werte für Kapazitäten (10 uF, 47 uF, 100 uF, 250 uF) zur Verfügung stehen.
5 V Betriebsspanung sind für den gewählten MOSFET sehr wenig.

Batteriespannungsversorgung fehlen 9 V Blockbatterie, 3 V, 1.5 V und Clip.

Überprüfung, Lagerung und Vorbereitung der Projektkoffer
Dokumentation und Regeln für einen Bestellvorgang

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Review 1 (22.04.2023)

Wie sieht ihre Stoffsammlung bisher aus?
Was für Dateien haben Sie?
Wie haben Sie die Dateien beschriftet?
Können Sie ihre Bilder Ergebnissen und Aktivitäten zuordnen?
Haben Sie eine Schaltung auf dem Breadboard aufgebaut, gemessen und mit LTSPICE simuliert?
Wie sieht ihre Versionierung und ihr Backup (Sicherung) aus?
Liegen Sie in ihrem Zeitplan?
Haben Sie schon eine Worddatei für den finalen Bericht angefangen?
Bitte bereiten Sie eine erste Basisversion mit 3-4 Seiten des finalen Berichts zur Besprechung während des Praktikums nächste Woche vor.