Elektronik

Skizze

Aufgabe und Realisierung:

Die Aufgabe war es, die elektronische Ansteuerung des Pinball Automatens zu realisieren. Die Elektronik ist somit die Verbindung zwischen FPGA und den Spulen, Lampen und Tastern des Pinball Automaten.

 

Spule

Am schwierigsten war hierbei die Ansteuerung der Spulen, welche die verschiedenen Spielelemente ansteuern:

  • Flipperarme
  • Bumper
  • Kicker

Für die Spulen musste eine spezielle Schaltung mit Leistungsmosfets erstellt werden, welche später näher erläutert wird.

 

 

 

Flipperarm Spule

Wir haben dazu eine Treiberboard Platine entworfen, auf der sich die Schaltung für die Spulen und Lampen befindet. Zusätzlich wird auf die Platine das FPGA mithilfe von Pinheadern gesteckt. Auch das Raspberry Pi, auf welchem die Software läuft, wird auf einen leeren Platz auf der Platine montiert.

 

Altes DriverBoard:

BoardAlt

Neues DriverBoard:

driverboard neu

Ansteuerung der Spulen:

Das Problem beim Ansteuern der Spulen ist, die hohe Spannung welche beim Ausschalten der Spulen entsteht. Da die Spulen direkt an einem Mosfet liegen, würde ohne zusätzliche Beschaltung der Mosfet durchbrennen und kaputt werden.

Zusätzlich wollten wir erreichen, dass wir die Spulen mit 20kHz PWM ansteuern können damit man z.B. einen "Hardmode" einstellen kann, bei dem die Flipperarme nur mehr 50% ihrer ursprünglichen Kraft besitzen. Das Problem bei einer PWM - Ansteuerung ist, dass im Mosfet sehr viel Leistung umgesetzt wird, da dieser ständig ein- und ausgeschalten wird.

Spannung am Mosfet Ausgang (U_DS) in Simulation mit 50% PWM am Eingang:

sim

Generell war unser erster Ansatz eine Freilaufdiode parallel zur Spule zu schalten und einen sogenannten Snubber zum Schutz des Mosfets einzusetzen. Der Snubber dämpft die Spannung die auf dem Ausgang des Mosfets anliegt und verhindert somit hohe Spannungsspitzen, die den Mosfet zerstören könnten.Schaltung

 

Spannung am Mosfet Ausgang (U_DS) in Simulation mit 50% PWM am Eingang (mit Snubber):

simSnubber

Wie man hier sieht wird die Spannung am Ausgang des Mosfets sehr gut gedämpft und der Mosfet wäre nicht mehr in Gefahr.

Das Problem bei dieser Schaltung ist aber, dass der Widerstand der Snubber Schaltung zu viel Leistung umsetzt und sehr heiß wird.

Hier ein Bild der Testschaltung:

test

 

Verbesserte Schaltung:

Die verbesserte und auch vereinfachte Schaltung funktioniert mit einer einzelnen Freilaufdiode, die einfach nahe beim Mosfet liegt. Wir haben auch noch einen Mosfet Treiber hinzugefügt damit wir einen leistungsfähigeren Mosfet nehmen können und damit der Mosfet sauber durchschaltet.

Schaltung

 

Verwendete Bauteile:

Die folgenden Bauteile wurden uns von Infineon© zur Verfügung gestellt. Hergestellt wurden diese in der modernsten Produktionsstätte der Welt in Villach.

IPB35N10S3L  - Spulen Powermosfet

Summary of Features:logo

  •     N-channel - Enhancement mode
  •     Automotive AEC Q101 qualified
  •     MSL1 up to 260°C peak reflow
  •     175°C operating temperature
  •     Green product (RoHS compliant)
  •     100% Avalanche testedmosfet

Benefits:

  •     highest current capability 180A
  •     low switching and conduction power losses for high thermal efficiency
  •     robust packages with superior quality and reliability
  •     optimized total gate charge enables smaller driver output stages

BTS3410G - Lampen Treiber

Description:

N channel vertical power FET in Smart SIPMOS technology. Fully protected by embedded protection functions.

Summary of Features:lampmosfet

  •     Logic Level Input
  •     Input Protection (ESD)
  •     Thermal shutdown with auto restart
  •     Green product (RoHS compliant)
  •     Overload protection
  •     Short circuit protection
  •     Overvoltage protection
  •     Current limitation
  •     Analog driving possible

 

Verkabelung:

Grundsätzlich haben wir versucht, möglichst viele Kabel der ursprünglichen Verkabelung zu verwenden. Leider mussten wir dann aber sehr viele Kabel neu verlegen.

Zu den Spulen mussten wir neue Kabel legen, da wir beide Anschlüsse bei unserer Schaltung ausführen müssen und keine gemeinsame Versorgung der Spulen möglich ist.

Bei den Lampen konnten wir Teile der alten Kabel verwenden. Viele der Lampen waren aber auch wieder parallel geschalten, welche wir alle einzeln ausgeführt haben um somit spezielle Lichteffekte möglich zu machen.

Bei den Tastern (Rollover, Auslöser, ...) wurde im Originalsystem eine Matrix zur Auswertung der Taster verwendet.