PEP Ausarbeitung final

RGB - Band
Produktentstehungsprozess
Gruppe 1
Eggers Philipp
Friedl Marc
Hausmann Simon
Klingel Felix
Weiler Daniel
Witzig Nora
36519
36582
37945
36966
36585
37403
EXPOSEE
Die folgende Projektdokumentation beinhaltet den Ablauf eines
Produktentstehungsprozesses zur Ansteuerung eines RGB-LEDBandes. Die Projektdokumentation wurde im Sommersemester
2013 an der Hochschule Karlsruhe, Technik und Wirtschaft von
Studierenden des Studiengangs Mechatronik unter der Aufsicht
von Herrn Prof. Dr.-Ing Peter Weber erstellt.
Einleitung
INHALT
1
2
Einleitung............................................................................................................................. i
1.1
Vorwort ........................................................................................................................ i
1.2
Danksagungen ........................................................................................................... ii
1.3
Team ........................................................................................................................... iii
Produktentstehungsphase............................................................................................... 1
2.1
Motivation .................................................................................................................. 1
2.2
Beschreibung RGB-Band .......................................................................................... 2
2.3
Problemstellung ......................................................................................................... 2
2.4
Stand der Technik...................................................................................................... 2
2.4.1
Beispiel 1. RGB-Band mit Controller von Aldi.................................................. 3
2.4.2
Beispiel 2. RF Controller...................................................................................... 3
2.4.3
Beispiel 3. Chromoflex IIIRC Stripe .................................................................... 4
2.4.4
Beispiel 4. LED Touch Controller ....................................................................... 4
2.4.5
Beispiel 5. Eiwomisa Selbstbaucontroller......................................................... 5
2.5
Patente ....................................................................................................................... 6
2.6
Aufgabenstellung...................................................................................................... 6
2.7
Mindmap .................................................................................................................... 7
2.7.1
Mindmap RGB - Band ....................................................................................... 8
2.8
Projektplan / Gantt-Diagramm ............................................................................... 9
2.9
Anforderungsliste ..................................................................................................... 10
2.9.1
Beschreibung .................................................................................................... 10
2.9.2
Anforderungsliste RGB – Band ........................................................................ 11
2.9.3
Durchführung.................................................................................................... 13
2.10
Black Box .................................................................................................................. 17
2.10.1
Eingangsgrößen Black Box RGB-Band Steuerung ....................................... 18
2.10.2
Störgrößen Black Box RGB-Band Steuerung................................................. 19
2.10.3
Restriktionen Black Box RGB-Band Steuerung.............................................. 19
2.10.4
Ausgangsgrößen Black Box RGB-Band Steuerung ...................................... 19
i
Einleitung
2.11
Funktionsstruktur ....................................................................................................... 20
2.11.1
Allgemeine Erklärung des Funktionsstrukturplans nach Roth ..................... 20
2.11.2
Funktionsstruktur RGB - Band .......................................................................... 21
2.11.3
Anmerkungen zum Funktionsstrukturplan: .................................................... 22
2.11.4
Übersicht und Interpretation der Bezeichnungen ....................................... 23
2.12
Morphologie............................................................................................................. 24
2.12.1
3
4
Morphologie RGB – Band ............................................................................... 25
2.13
Vorteile – Nachteile................................................................................................. 26
2.14
Lösungsalternativen ................................................................................................ 43
Entwerfen ......................................................................................................................... 44
3.1
Ranking der Kriterien ............................................................................................... 44
3.2
Auswahl der wichtigsten Bewertungskriterien ..................................................... 45
3.3
Verfahrensmatrix ..................................................................................................... 47
3.4
Ergebnis der Nutzwertanalyse ............................................................................... 49
3.5
Ausgewählte Lösung / Prototyp ............................................................................ 50
Anhang ............................................................................................................................. iv
4.1
Protokolle ................................................................................................................... iv
4.2
Quellen ....................................................................................................................... ix
4.3
Blockschaltbild ........................................................................................................... xi
4.3.1
Blockschaltbild Signal ........................................................................................ xi
4.3.2
Blockschaltbild Energie ..................................................................................... xi
4.4
Schaltplan ................................................................................................................. xii
4.5
Platinenlayout .......................................................................................................... xiii
ii
Einleitung
1 EINLEITUNG
1.1 VORWORT
Sehr geehrter Leser,
der Produktentstehungsprozess ist ein hochkomplexer Prozess. Die Optimierung
und die Gestaltung dieses Prozesses gewinnt immer mehr an Bedeutung. Kein
industrielles Unternehmen kann es sich leisten, ein Projekt ohne Struktur zu
entwickeln. Die Folgekosten bei Fehlern sind immens.
Der Produktentstehungsprozess umfasst alle Bereiche und ist optimal, um
effizient ein Produkt entstehen zu lassen. Die Produkte reichen von kleinen
einfachen Teilen bis hin zu hochkomplexen Großprojekten. Zur Vereinfachung
und zur Erhaltung der Übersicht werden die Produktentstehungsprozesse in
einzelne Phasen eingeteilt. PEP1: Definition, PEP2: Konzipieren, PEP3: Entwerfen,
PEP4: Ausarbeiten, PEP5: Fertigen und PEP6: After-Sales-Activities.
Im Zuge der Vorlesung MTB451 Produktentstehungsprozesse an der Hochschule
Karlsruhe Technik und Wirtschaft wurde uns die große Bedeutung PEP’s von
Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Weber nahe gebracht. Hierbei ist es wichtig
ingenieurmäßig zu arbeiten, das heißt methodisches, kreatives und
zielgerichtetes Vorgehen.
Daraus ist, um uns auf das spätere Berufsleben vorzubereiten und die
Arbeitsmethode eines Ingenieurs und den Produktentstehungsprozess zu üben
und zu vertiefen, in Kooperation mit dem Labor MTB412 Mikrocomputertechnik
bei Herrn Prof. Dipl.-Ing. Jürgen Walter ein Projekt entstanden. Dieses Buch dient
der Dokumentation unseres Projektes „Ansteuerung eines RGB-Bandes“ und
erklärt im Überblick die einzelnen Prozesse.
Wir wünschen Ihnen viel Spaß und Freude beim Lesen.
Ihre Gruppe 1
i
i
Einleitung
1.2 DANKSAGUNGEN
Wir möchten uns an erster Stelle bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Weber für seine
ausführliche
Vorlesung
bedanken.
Seine
Einführungen
in
den
Produktentstehungsprozess waren für den reibungslosen Ablauf des Projekts
unabdingbar und wurden von uns sehr geschätzt. Uns war zuvor nicht bewusst,
dass ein Projekt, das über längere Zeit bearbeitet wird, nur mit guter
Vorbereitung und Planung erfolgreich über die Bühne zu bringen ist. Wir
bedanken uns für sein Angebot, bei Fragen jederzeit auf ihn zukommen zu
dürfen. Er hat uns wichtige Hilfsmittel aufgezeigt, um die Arbeit noch besser
strukturieren zu können.
Des Weiteren gilt unser Dank Herrn Prof. Dipl.-Ing. Walter für sein Engagement
und seine tatkräftige Unterstützung. Seine Vorlesungen lieferten uns wichtige
Erkenntnisse für unsere Arbeit und er war jederzeit bereit, uns mit Rat und Tat bei
Problemen mit unserem Projekt zu helfen. Auch möchten wir uns für das zur
Verfügung gestellte Labor bedanken. Die Möglichkeit, auf technische Geräte
und Bauteile zugreifen zu können, war ein wichtiger Schritt in der
Produktentwicklung und für den Aufbau unseres Prototyps unabdingbar.
Unser Dank gilt auch Herrn Dipl.-Ing. Wolfgang Pluschke, der uns bei der
technischen Umsetzung unseres Prototyps mit seiner Fachkompetenz zur Seite
stand und uns die benötigten Bauteilen zur Verfügung stellte. Sein technisches
Verständnis der Materie sowie seine außerordentliche Bereitschaft, uns spontan
bei technischen Problemen zu unterstützen, haben uns sehr geholfen und
weitergebracht. Daher an dieser Stelle unser herzlichstes Dankeschön.
Als Letztes, gilt unser Dank der Hochschule Karlsruhe für Technik und Wirtschaft.
Unser Mechatronik Studium ist interessant gestaltet, abwechslungsreich und
sehr spannend. Wir schätzen die Tatsache, dass unsere Dozenten aus der
Wirtschaft kommen und uns neben der Theorie auch Einblicke in die industrielle
Praxis liefern.
ii
ii
Einleitung
iii
1.3 TEAM
Philipp Eggers 36519
Simon Hausmann 37945
Felix Klingel 36966
Daniel Weiler 36585
iii
Nora Witzig 37403
Marc Friedl 36582
Produktentstehungsphase
2 PRODUKTENTSTEHUNGSPHASE
2.1 MOTIVATION
Im privaten oder öffentlichen Gebrauch gewinnt das Ambiente immer mehr an
Bedeutung. In erster Linie erzeugt das stimmungsvolle Präsentieren von
Gegenständen wie Möbel oder Dekorationen ein Gefühl der Individualität oder
gibt einem Raum Charakter. Hierbei darf aber nicht vergessen werden, dass es
wichtig ist, diese Gegenstände wörtlich „ins rechte Licht“ zu rücken. Hierbei
ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. Es gibt warmes, kaltes oder buntes Licht,
sowie Lichtspiele und Hintergrundbeleuchtungen, die Kontraste im Raum
erzeugen. Diese besonderen Bedingungen schaffen unter anderem Strahler,
Halogenleuchten und viele andere Leuchtmittel. Ideal ist jedoch ein kompaktes
Gerät, das auch Farbwechsel erzeugen kann und mit dem sich die Helligkeit
regulieren lässt.
1
1
Produktentstehungsphase
2.2 BESCHREIBUNG RGB-BAND
Ein RGB-Band ist ein ca. 1cm breites Band,
auf dem sich viele RGB-LEDs befinden.
RGB-LEDs sind Red Green Blue - Light
Emitting Diods, also Leuchtdioden, die aus
drei Farbkomponenten bestehen, siehe
Bild 1.
BILD 1 RGB-LED
Auf den meisten RGB-Bändern, auch RGBStripes genannt, befinden sich drei RGBLEDs pro 10 cm Bandlänge. Das Band wird
üblicherweise als 5m Rolle verkauft. Es ist in
einigen Onlineshops aber auch in 1m
Stücken erhältlich. Das Band ist in 10 cm
Abschnitte unterteilt und kann dadurch
alle 10cm abgeschnitten werden. Dies ist
sehr praktisch, da das Band so für den
jeweiligen Anwendungszweck in der
Länge gekürzt werden kann. Über die drei
Farbanteile (rot/ grün/ blau) lässt sich das
komplette LED-Lichtfarbspektrum mischen.
BILD 2 RGB-BAND
Angeschlossen wird das Band über einen
4-poligen Stecker an einen sogenannten
RGB-Controller.
Die
Versorgungsspannung von 12V haben die drei
Farbkomponenten gemeinsam, sodass es
diesen Anschluss nur einmal gibt. Es gibt
jedoch für jede Farbkomponente ein
eigenes „Ground“ also insgesamt 3
„Ground“ Anschlüsse (siehe Bild 3), da die
einzelnen Farbkomponenten über eine
„pull
down“
Steuerung
geschaltet
werden.
BILD 3 VERSCHALTUNG IM BAND
2
2
Produktentstehungsphase
2.3 PROBLEMSTELLUNG
Es gibt derzeit keinen preiswerten, bedienungsfreundlichen, individuell
programmierbaren RGB-Controller, der bis zu 5m RGB-LED Band ansteuern kann
und bei dem individuelle Farbeinstellungen möglich sind.
2.4 STAND DER TECHNIK
Es gibt eine Vielzahl an RGB-Controllern zu kaufen, und auch immer mehr
Anleitungen um sich einen individuellen Controller zu bauen. Neben den
Controllern mit fest eingestellten Farben und Farbverläufen, gibt es einige
Topmodelle, bei denen es möglich ist, bis zu drei Farbverläufe individuell
einzustellen. Dazu muss der Controller über ein Kabel oder Dongle an den
Computer angeschlossen werden und die gewünschte Farbe / Farbverlauf in
einem extra dafür bereitgestellten Programm eingestellt werden. Solche FarbProgrammanpassungen sind relativ aufwändig und werden durch das
bereitgestellte Programm stark eingeschränkt.
Gängige Farbprogramme sind:
Fade:
Color circle:
Strobe:
wechselt
zwischen
mehreren
Farben
mit
kontinuierlichem Farbübergang
faded das komplette Farbspektrum durch
blitzt nacheinander in den Farben Rot Gün Blau auf
Es gibt auch besondere Farbprogramme. Einige Beispiele sind:
Feuer:
Gewitter:
flackert in rot-orange-Tönen
blitzt in zufälligen Zeitintervallen kurz mit maximaler
Leuchtstärke auf
Es folgen einige Produktbeispiele:
2
2
Produktentstehungsphase
2.4.1 BEISPIEL 1. RGB-B AND MIT CONTROLLER VON A LDI
Controller + Fernbedienung +5m RGBBand von Aldi für insgesamt 49,99Euro
Controller:
-10m Band steuerbar
-16 feste Farben
-4 feste Programme
-heller / dunkler / an / aus
-keine individuellen Einstellungen
Bewertung:
Dieses Set ist in der Projektgruppe privat
BILD 4: RGB-BAND MIT STEUERKOMPONENTEN
im Einsatz. Das Fazit: Die fest eingestellte
Farben sind schlecht eingestellt, die
Farbe Gelb hat einen sehr starken Grünstich, die Farbe Pink ist von Rot nicht zu
unterscheiden. Die Farbprogramme schaffen keine glatten Farbübergänge sondern
ruckeln von einer Farbe zur nächsten. Seinen Preis ist das Set dennoch wert, denn allein für
das Band und das Netzteil zahlt man normalerweise mehr.
2.4.2 BEISPIEL 2. RF CONTROLLER
RF Controller + Fernbedienung
~30 Euro
- 10m Band steuerbar
- 7 feste Farben
- 4 feste Programme
- schnell / langsam/ an + aus
BILD 5: CONTROLLER MIT FERNBEDIENUNG
3
3
Produktentstehungsphase
2.4.3 BEISPIEL 3. CHROMOFLEX IIIRC STRIPE
Barthelme CHROMOFLEX IIIRC STRIPE
~ 60Euro (nur Controller)
- 10m Band steuerbar
- 25 feste Farben
- 4 feste Programme
- 3 programmierbare Programme
- heller / dunkler / an / aus
- Master Slave fähig
- 8 Funkkanäle
Bewertung:
Dieser Controller wurde bei einem
anderen Projekt verwendet. Das Fazit:
BILD 6: CONTROLLER FÜR ANSTEUERUNG
Die fest eingestellten Farben sind gut
eingestellt, und die Farbprogramme
haben einen glatten Farbverlauf. 3 Programme können mit einer Software individuell
eingestellt werden, hierzu benötigt man aber ein USB-Dongle um den Controller mit dem
Computer zu verbinden. Die Software zur Programmeinstellung schränkt die
Einstellungsmöglichkeiten für die 3 individuellen Programme stark ein.
Separat erhältlich:
USB-Dongle, Fernbedienung
2.4.4 BEISPIEL 4. LED TOUCH CONTROLLER
Controller + Touch-Fernbedienung
~50 Euro
- 10m Band steuerbar
- Color circle
- Zusatz Ausgang Weiß
- 3 feste Programme
- heller / dunkler / an + aus
BILD 7: CONTROLLER UND TOUCH-FERBEDIENUNG
4
4
Produktentstehungsphase
2.4.5 BEISPIEL 5. EIWOMISA SELBSTBAUCONTROLLER
Eiwomisa RGBController (Selbstbau)
~65 Euro (nur Controller)
- 10m Band steuerbar
- viele programmierbare Farben
- viele individuell programmierbare
Programme
- Color circle
- einige feste Programme
- Zusatz Ausgang Weiß
- schnell / langsam/ an + aus
Bewertung:
BILD 8: CONTROLLER ZUM SELBERBAUEN
Dieser Controller ist im Bekanntenkreis der
Projektgruppe privat im Einsatz. Das Fazit:
Die fest eingestellten Farben sind gut
eingestellt, und die Farbprogramme haben einen glatten Farbverlauf. Fast alle Programme
können individuell in Assembler programmiert werden. Es gibt auch eine Software, mit der die
Programme individuell eingestellt werden können. Es sind viele Effektprogramme kostenlos im
Internet verfügbar. Leider ist die Bedienung des Controllers nicht benutzerfreundlich und auch
die Bedienung über die Fernbedienung ist umständlich.
Separat erhältlich:
Repeater, Fernbedienung, Zusatzplatinen
5
5
Produktentstehungsphase
2.5 PATENTE
Es gibt mehrere US-Patente über mehrfarbige LED-Systeme und das
Ansteuerung von LEDs über eine Pulsweitenmodulation. Inhaber dieser Patente
ist Philips, genauer gesagt die Tochterfirma Color Kinetics. Diese Patente
existieren nur in den USA, da es nur dort möglich war ein bereits existierendes
System als Patent anzumelden. Außerhalb der USA sind diese Patente ungültig.
Es wurden keine weiteren Patente gefunden, sodass davon aus zu gehen ist,
dass dieses Projekt keine in Deutschland gültigen Patente verletzt.
Die Liste der US-Patente von Color Kinetics ist unter folgender Webadresse
einsehbar:
http://www.colorkinetics.com/technologies/ipinfo/patents/
2.6 AUFGABENSTELLUNG
Es ist ein bedienungsfreundlicher RGB-Controller zu entwickeln, der der bis zu 5m
RGB-LED Band mit einer Versorgungsspannung von 12V ansteuern kann. Es soll
mehrere Farbprogramme, Festfarben und individuell einstellbare Farben geben.
Für das Mikrocontroller Labor müssen der VC 2 Mikrocontroller und eine 4x4
Tastenmatrix sowie der I 2C Bus verwendet werden. Die Programmierung muss in
Assembler durchgeführt werden. Es muss einen Ein/Aus-Schalter geben um das
Band auszuschalten.
Anmerkung zur individuellen Farbeinstellung:
Über sechs Taster (zwei für jede der drei RGB Komponenten) soll die
betreffende Farbe heller oder dunkler geschaltet werden können und dadurch
eine individuelle Farbe eingestellt werden. Es soll einen Color circle geben mit
der Möglichkeit, bei einer Farbe anzuhalten und somit eine individuelle Farbe
einzustellen.
6
6
Produktentstehungsphase
2.7 MINDMAP
Um Ideen zu sammeln und um einen Überblick über die verschiedenen
Aufgaben zu erlangen, wurde eine Mindmap erstellt. Die Mindmap war der
Ausgangspunkt für den Großteil aller Arbeitsschritte im Projekt. Ziel dieser
Mindmap war es, die verschiedenen Vorstellungen und Funktionswünsche an
das Produkt zu sammeln. Es entstand eine Bedienungsvorstellung, die im Laufe
des Projekts in Absprache mit Prof. Dipl.-Ing Walter geändert wurde.
Die Mindmap zeigt das alte Bedienkonzept mit 8 Tastern und 5 Kontroll-LEDs. Auf
Wunsch von Herrn Prof. Dipl.-Ing Walter wurde im Laufe unseres Projekts von
diesem Konzept auf eine 4x4 Tastenmatrix gewechselt. Grund für diese
Änderung war, dass die I2C Schnittstelle, über die die Tastenmatrix
angeschlossen wird, in allen Projekten verwendet werden muss.
Die Ausgänge der zu entwerfenden Zusatzplatine haben sich seit der Mindmap
nur geringfügig verändert. Anstelle von 5 Kontroll-LEDs gibt es nur noch 2, die
anderen 3 LEDs wurden durch das geänderte Bedienungskonzept überflüssig.
Die drei Ausgänge „R,G,B“, die auf das eigentliche RGB-Band gehen, blieben
erhalten.
7
7
Produktentstehungsphase
2.7.1 MINDMAP RGB - B AND
8
8
Produktentstehungsphase
2.8 PROJEKTPLAN / GANTT-DIAGRAMM
Der Projektplan soll den Zeitplan für den gesamten Produktentwicklungsprozess
veranschaulichen und helfen die Deadline einzuhalten. Jeder Aktivität ist im
Diagramm ein Balken zugeordnet, der ein Start- und ein Enddatum besitzt.
Diese Methodik trägt dazu bei, dass alle Teammitglieder den Überblick über
den zeitlichen Ablauf des Projekts behalten. Es werden Anfang und Ende jeder
Aktivität sichtbar, die Dauer der einzelnen Aktivitäten, Überschneidung von
Tätigkeiten sowie das Start- und Enddatum des gesamten Projekts.
Zur Erstellung eines Projektplans kann spezielle Software eingesetzt werden, die
die Arbeit vereinfacht. Wir haben unseren Projektplan mit Hilfe von Excel erstellt.
BILD 9 GANTT- DIAGRAMM
9
9
Produktentstehungsphase
2.9 ANFORDERUNGSLISTE
2.9.1 BESCHREIBUNG
Die Anforderungsliste wird normalerweise aus dem mit dem Kunden
vertraglich festgelegten Pflichtenheft erstellt. In ihr sollen alle qualitativen und
quantitativen Anforderungen an das Produkt schriftlich zusammengestellt
werden. Neben den Inhalten aus dem Pflichtenheft enthält eine
Anforderungsliste auch betriebsinterne oder gesetzliche Vorgaben. Es werden
Ziele und Bedingungen eingetragen und in eine für den Entwicklungsprozess
sinnvolle Gliederung gebracht. Die Priorität der einzelnen Kriterien wird durch
eine Einteilung in Wunsch, tolerierte Forderung oder Festforderung
ausgedrückt.
Damit ist die Anforderungsliste also ein Arbeitshilfsmittel und steuert den
gesamten Entwicklungsprozess. Sie bestimmt die Entwicklungsschwerpunkte,
ist Grundlage zur Lösungsfindung und legt die Bewertungskriterien fest.
Es ist wichtig, dass alle an der Entwicklung beteiligten Abteilungen oder
Personen die in der Anforderungsliste aufgeführten Anforderungen sowie
deren Hintergründe kennen. Alle Punkte müssen eindeutig formuliert sein,
damit es zu keinen Missverständnissen kommen kann.
Da die Anforderungsliste von verschiedenen Fachbereichen gebraucht wird,
sollte diese eine betriebsintern vereinbarte Form haben. Formulierungen wie
„einfacher Aufbau“ oder „billig fertigen“ sind nicht eindeutig und somit nicht
für eine Anforderungsliste geeignet.
10
10
Produktentstehungsphase
2.9.2 ANFORDERUNGSLISTE RGB – B AND
11
11
Produktentstehungsphase
Anmerkung:
Diese Anforderungsliste wurde mit der gesamten Gruppe erstellt. Unter der
Rubrik „Name“ wurde immer das Kürzel desjenigen eingetragen, der die
Anforderung genannt hat.
12
12
Produktentstehungsphase
2.9.3 DURCHFÜHRUNG
2.9.3.1 A NFORDERUNGEN SAMMELN

Festlegung
der
Pflichtenheftes

Weitere Quellen
Anforderungen
-
Kunde
-
Markt
-
Produktion
-
Entwicklung/ Konstruktion
-
Service
-
…
unter
Berücksichtigung
des

Als Hilfe dienen Systembetrachtungen, Checklisten und andere
Methoden

Regeln für die Formulierung von Anforderungen

-
Immer Lösungsneutral formulieren
-
Klar und eindeutig formulieren
-
Keine vermeintlich klaren Punkte auslassen
-
Präzisieren durch Skizzen oder Grafiken
Präzisierung durch die Fragestellungen
-
Warum benutzen Kunden das Produkt?
-
Wozu benutzen Kunden das Produkt?
-
Wann benutzen Kunden das Produkt?
-
Wie benutzen Kunden das Produkt?
-
Wo benutzen Kunden das Produkt?
-
Was sind ihre Vorlieben?
-
Welche Trends sind zu erwarten?
-
Was machen die Anwender von Konkurrenzprodukten?
13
13
Produktentstehungsphase
2.9.3.2 A NFORDERUNGEN ORDNEN

Nach organisatorischen und technisch-wirtschaftlichen Anforderungen

Hauptaufgaben und Hauptdaten voranstellen

Durch Gliederung nach Lebenslaufphasen, Verantwortlichkeiten, etc

Die Anforderungen werden unterteilt in
-
W Wunsch
-
F Tolerierte Forderung
-
J/N
Festforderung
2.9.3.3 A NFORDERUNGEN ERSTELLEN

Anforderungsliste in einer betriebsintern genormten Form niederschreiben

Anforderungsliste
zukommen lassen

Jede Anforderung bekommt zur Identifizierung eine Nummer

„Veranlasser“ einer Anforderung als Verantwortlichen festhalten

Skizzen zur Veranschaulichung komplexer Sachverhalte hinzufügen

Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, können weitere Informationen
hinzugefügt werden, wie beispielsweise:
allen
beteiligten
Abteilungen
oder
Personen
-
Der Ursprung einzelner Anforderungen
-
Ausführlichere Erläuterung der Anforderung
-
Hinweis auf weiterführende Dokumente (Normen, Zeichnungen, …)

Prüfen und von allen Verantwortlichen schriftlich bestätigen lassen

Sinnvollerweise mit EDV-Unterstützung
14
14
Produktentstehungsphase
2.9.3.4 A NFORDERUNGEN ERGÄNZEN

Einwände und Ergänzungen müssen auf der Anforderungsliste
hinzugefügt werden, nachdem diese zuvor überprüft wurden

Absprache mit Kunde und betroffenen Fachabteilungen oder Personen

Bei Änderungen müssen folgende Angaben gemacht werden:

-
Der Änderungsstatus
-
Die Änderungsursache
-
Das Änderungsdatum
-
Die Änderungsperson
Damit der Änderungsverlauf nachvollziehbar ist, werden alte
Anforderungen nicht gelöscht, sondern durchgestrichen und die neue
Anforderung wird direkt unter der alten eingefügt.
15
15
Produktentstehungsphase
2.9.3.5 V OR - UND N ACHTEILE
2.9.3.5.1 V ORTEILE

Alle für die Produktentwicklung relevanten Informationen sind zentral
verfügbar.

Bei der Lösungsfindung kann zur Festlegung der Bewertungskriterien auf die
Anforderungsliste zurückgegriffen werden.

Die Anforderungsliste dient als Referenzdokument für zusammen arbeitende
Fachbereiche
2.9.3.5.2 N ACHTEILE

Muss ständig auf dem aktuellen Stand gehalten werden, was sehr aufwändig
ist und ein „Änderungsmanagement“ erfordert

Bei großen Projekten sehr umfangreich
16
16
Produktentstehungsphase
2.10 BLACK BOX
Die allgemeine Black Box Darstellung ist eine Methode, bei der die innere
Struktur eines technischen Systems unbekannt ist oder vernachlässigt wird. Es
kann sich um ein hochkomplexes System handeln, bei dem ausschließlich das
äußere Verhalten betrachtet wird. Wie in Bild 11 dargestellt, werden nur die
Eingangs- und Ausgangsgrößen ermittelt, sofern diese nicht oder nur
unvollständig in der Anforderungsliste gegeben sind. Auch Störgrößen und
Restriktionen, die für die Funktion essentiell sind, können eingetragen werden. Es
empfiehlt sich jedoch auch solche Größen (sofern dies möglich ist) als
Eingangs- oder Ausgangsgrößen zu definieren. Somit nähert man sich dem
System durch „Entfernung vom Problem“.
Da durch die Black Box das Gesamtverhalten des Systems beschrieben wird,
lassen sich im Anschluss durch Veränderung der funktionalen Beziehungen
zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße unterschiedliche Lösungen für die
innere Struktur und die Art des Zusammenwirkens seiner Teilsysteme gewinnen.
Dabei gibt es nur drei Arten von Eingangs- und Ausgangsgrößen.
Stoff:
-
Rohprodukt
Halbzeug
Endprodukt
Bauteil
Flüssigkeit
Gegenstände aller Art
Energie:
mechanische
thermische
elektrische
chemische
optische
Kernenergie
BILD 10: BLACK BOX ALLGEMEINE AUSFÜHRUNG
17
Signal:
Messgröße
Anzeigewert
Daten
Steuerimpuls
Nachricht
17
Produktentstehungsphase
Neben den Eingangs- und Ausgangsgrößen gibt es noch Störgrößen und
Restriktionen. Als Störgrößen werden Einflüsse bezeichnet, die den
kontrollierten Ablauf des Systems stören können und deshalb unerwünscht
sind. Restriktionen sind Bedingungen, die erfüllt werden müssen, damit das
System funktioniert. Teilweise können Störgrößen und Restriktionen auf die
Eingangsgrößen umgelegt werden.
BILD 11: BLACK BOX RGB-BAND
2.10.1 EINGANGSGRÖßEN BLACK BOX RGB-B AND STEUERUNG
Stoff:
- kalte Luft
Energie:
-12V vom Netzteil
Signal:
- Eingabe Tastatur
Aus der Anforderungsliste wurden die benötigten Ausgangsgrößen ermittelt.
Nachdem alle Ausgangsgrößen bestimmt wurden, wurden die dafür
benötigten Eingangsgrößen ermittelt. Dabei muss zwischen Signalen, Energien
und Stoffen unterschieden werden. Die Umsetzung innerhalb des schwarzen
Kastens wurde aufgrund der Black-Box Darstellung komplett vernachlässigt.
Da mehrere Modi ausgewählt werden sollen, wird eine Tasteneingabe
benötigt. Daraus folgt, dass es Tasten-Signale am Eingang geben muss. Das
RGB-Band benötigt eine Versorgungsspannung von 12V, sodass eine 12V
Energieversorgung von einem Netzteil notwendig ist. Da auf jeden Fall
Wandlungsprozesse durchgeführt werden müssen, muss auch die dabei
entstehende Wärmeenergie abgeführt werden. Dazu wird kalte Luft benötigt,
sodass es insgesamt 3 Eingangsgrößen gibt.
18
18
Produktentstehungsphase
2.10.2 STÖRGRÖßEN BLACK BOX RGB-B AND STEUERUNG
-
Umwelteinflüsse (Temperatur, Feuchte)
-
Magn. und elektr. Störfelder (EMV)
-
Staub
-
Tastenprellen
Bei den Störgrößen wird das Umfeld des Systems betrachtet und analysiert,
welche Einflüsse von außerhalb einwirken können. Da das System im privaten
Umfeld benutzt werden soll, wurden sehr alltägliche Störgrößen ermittelt.
2.10.3 RESTRIKTIONEN BLACK BOX RGB-B AND STEUERUNG
-
Taktfrequenz von min. 50Hz
Da die Problemstellung sich unter anderem mit der Qualität des
Ausgangssignales beschäftigt und es einen angenehmen Wechsel fürs Auge
geben soll, wird eine Taktfrequenz von mindesten 50Hz benötigt.
2.10.4 A USGANGSGRÖßEN BLACK BOX RGB-B AND STEUERUNG
Stoff:
- warme Luft
Energie:
- geregelte Energie
Signal:
- Licht von Kontroll- LED’s
Die Eingangsgrößen werden unter Berücksichtigung der Störgrößen und der
Restriktion in der Black Box zu den Ausgangsgrößen „umgewandelt“.
Welche Schritte gebraucht werden, um die Eingangs- in die Ausgangsgrößen
umzuwandeln, wird in der Funktionsstruktur behandelt.
19
19
Produktentstehungsphase
2.11 FUNKTIONSSTRUKTUR
2.11.1 ALLGEMEINE ERKLÄRUNG DES FUNKTIONSSTRUKTURPLANS NACH ROTH
Nach dem Aufstellen der Black Box wird die innere Struktur der Black Box in
einem Funktionsstrukturplan ermittelt. Der Funktionsstrukturplan nach Roth
beschreibt den inneren Aufbau eines Systems durch folgende Funktionen:
-
verknüpfen
wandeln
trennen
leiten
speichern
Diese Bezeichnungen nach Roth sind die Einzigen, die verwendet werden
dürfen. Hier stehen nur die Hauptfunktionen im Vordergrund und führen von
den Eingangsgrößen zu den Ausgangsgrößen. Eine Lösung wird erst in den
nachfolgenden Schritten erarbeitet.
20
20
Produktentstehungsphase
2.11.2 FUNKTIONSSTRUKTUR RGB - B AND
21
21
Produktentstehungsphase
2.11.3 ANMERKUNGEN ZUM FUNKTIONSSTRUKTURPLAN:
Zur Vereinfachung wird angenommen, dass sich die kalte Luft, die von außen
zum Kühlen der einzelnen Systemteile benötigt wird, von selbst verteilt. Die
Trennvorgänge in der Funktionsstruktur werden im Vorteile/ Nachteile Katalog
als ein Trennvorgang behandelt.
Das Verknüpfen der warmen Luft wird analog zum Trennen der kalten Luft als
ein einziger Verknüpfungsvorgang behandelt. Es wurde in der Funktionsstruktur
kein Unterschied zwischen warmer und wärmerer Luft gemacht, sodass der Stoff
warme Luft immer die gleiche Bezeichnung hat. Die warme Luft ist ein Resultat
der Wandlungseffizienz der Bauteile, und gibt Aufschluss auf deren
Wirkungsgrad.
Die Blöcke um die einzelnen Funktionen dienen dazu, den Funktionsstrukturplan
übersichtlicher und somit nachvollziehbarer zu gestalten. Zu diesem Zweck
wurden auch die Verbindungspfade farblich gekennzeichnet.
Mit elektrischer Energie ist eine Potenzialdifferenz gemeint, aufgrund derer der
Strom fließen kann.
22
22
Produktentstehungsphase
2.11.4 ÜBERSICHT UND I NTERPRETATION DER BEZEICHNUNGEN
Stoffe
Energien
Signale
𝑆𝑡1
Kalte Luft
𝐸1𝑒𝑙
12V Energieversorgung
𝑆𝑡2
Warme Luft
𝐸2𝑒𝑙
PWM gesteuerte Energie
𝐸3𝑒𝑙
5V
𝑆3𝑒𝑙
Signal Tastatur
𝐸4𝑒𝑙
7V
𝑆4𝑒𝑙
I2 C-Signal
𝐸5𝑡ℎ
Wärmeenergie Spannungsstufe
𝑆5𝑒𝑙
Signal Tastatur VC 2
𝐸6𝑒𝑙
Verlustleistung VC 2
𝑆6𝑒𝑙
PWM-Programm Signal
𝐸7𝑡ℎ
Wärmeenergie VC 2
𝑆7𝑒𝑙
PWM Schalter Rot
𝐸8𝑒𝑙
Verlustleistung Tastatur
𝑆8𝑒𝑙
PWM Schalter Grün
𝐸9𝑡ℎ
Wärmeenergie Tastatur
𝑆9𝑒𝑙
PWM Schalter Blau
𝐸10𝑒𝑙
Ausgabe PWM
𝑆10𝑜𝑝𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ
Licht Anzeige ein/aus
𝐸11𝑒𝑙
Ausgabe Anzeige
𝑆11𝑜𝑝𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ
Licht Anzeige Modi
𝐸12𝑒𝑙
LED ein/aus
𝐸13𝑒𝑙
LED Modi
𝐸14𝑒𝑙
Verlustleistung Schalter blau
𝐸15𝑡ℎ
Wärmeenergie Schalter blau
𝐸16𝑒𝑙
Verlustleistung Schalter grün
𝐸17𝑡ℎ
Wärmeenergie Schalter grün
𝐸18𝑒𝑙
Verlustleistung Schalter rot
𝐸19𝑡ℎ
Wärmeenergie Schalter rot
𝐸20𝑒𝑙
Verlustleistung Anzeige ein/aus
𝐸21𝑡ℎ
Wärmeenergie Anzeige ein/aus
𝐸22𝑒𝑙
Verlustleistung Anzeige Modi
𝐸23𝑡ℎ
Wärmeenergie Anzeige Modi
𝐸24𝑒𝑙
PWM blau
𝐸25𝑡ℎ
PWM Grün
𝐸26𝑒𝑙
PWM Rot
𝐸27𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙 + 𝐸24𝑒𝑙 Stecker
𝐸28𝑒𝑙
𝐸25𝑒𝑙 + 𝐸26𝑒𝑙 Stecker
𝐸29𝑡ℎ
𝐸27𝑒𝑙 + 𝐸28𝑒𝑙 Stecker
23
𝑆1𝑚𝑒𝑐ℎ
𝑆2𝑜𝑝𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ
Tasteneingabe
Licht von Kontroll-LEDs
23
Produktentstehungsphase
2.12 MORPHOLOGIE
Morphologische Methoden sind Visualisierungsmöglichkeiten zur Darstellung
von neuen Lösungskombinationen. Die bekannteste morphologische Technik ist
der morphologische Kasten, der von dem Physiker Fritz Zwicky entwickelt wurde.
Der morphologische Kasten entsteht aus dem Funktionsstrukturplan. Jede
Teilfunktion wird aufgelistet, und es werden möglichst viele Lösungen
gesammelt. Bei diesem Schritt empfiehlt es sich, in der Gruppe zu arbeiten um
eine möglichst große Lösungsvielfalt zu bekommen. Dazu ist ein „Brainstorming“
ein beliebtes Hilfsmittel. Dabei werden auch viele Lösungen aus technischer
oder wirtschaftlicher Sicht sinnlos sein, jedoch finden sich oftmals auch sehr
gute Lösungen, deren Ansatz auf den ersten Blick etwas skurril scheint.
Im nächsten Schritt wird untersucht, welche Lösungen gut zueinander passen.
So entstehen unterschiedlichste Kombinationsmöglichkeiten, an die bisher noch
keiner gedacht hätte. Diese müssen anhand von Bewertungskriterien, die aus
der Anforderungsliste entnommen werden, bewertet werden, um letztlich die
beste Lösung zu finden.
24
24
Produktentstehungsphase
2.12.1 M ORPHOLOGIE RGB – B AND
BILD 12 MORPHOLOGIE
25
25
Produktentstehungsphase
2.13 VORTEILE – NACHTEILE
Nachdem der Morphologische Kasten fertig erstellt ist, müssen die einzelnen Lösungsvarianten
für die einzelnen Funktionen genau betrachtet werden. Hierzu wird eine Vorteile – Nachteile Liste erstellt, in der jede Lösungsvariante mit einem Bild dargestellt ist. In Stichworten werden
die wichtigsten Vor- und Nachteile der jeweiligen Komponente genannt, damit man einen
kurzen Überblick über die Komponente bekommt.
In der nachfolgenden Tabelle ist das Schema für die Vorteile – Nachteile – Liste erklärt.
Funktion
Bezeichnung
(Buchstabe aus Funktionsstrukturplan)
Grundfunktion nach Roth
Lösungsvariante 1:
Bild der Lösungsvariante 1
Vorteile
Nachteile
Vorteil 1 der Lösungsvariante 1
Nachteil 1 der Lösungsvariante 1
Vorteil 2 der Lösungsvariante 1
Nachteil 2 der Lösungsvariante 1
Vorteil 3 der Lösungsvariante 1
Nachteil 3 der Lösungsvariante 1
Lösungsvariante 2:
Bild der Lösungsvariante 2
Vorteile
Nachteile
Vorteil 1 der Lösungsvariante 2
Nachteil 1 der Lösungsvariante 2
Vorteil 2 der Lösungsvariante 2
Nachteil 2 der Lösungsvariante 2
Vorteil 3 der Lösungsvariante 2
Nachteil 3 der Lösungsvariante 2
Lösungsvariante 3:
Bild der Lösungsvariante 3
Vorteile
Nachteile
Vorteil 1 der Lösungsvariante 3
Nachteil 1 der Lösungsvariante 3
Vorteil 2 der Lösungsvariante 3
Nachteil 2 der Lösungsvariante 3
Vorteil 3 der Lösungsvariante 3
Nachteil 3 der Lösungsvariante 3
26
26
Produktentstehungsphase
A
B
C
D
R
𝐸1𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸3𝑒𝑙
27
Trennen
Lösungsvariante 1: Verzweigung in der Leiterbahn
BILD 13 LEITERBAHNEN
Vorteile
Nachteile
platzsparend
aufwändige Entwicklung/ Entflechtung
komplizierte Verzweigungen möglich
teure Anfertigung
keine zusätzliche Montage nötig
Reparatur aufwändig oder nicht möglich
Lösungsvariante 2: Wago-Klemme
BILD 14 WAGO-KLEMME
Vorteile
Nachteile
schnelle & lösbare Verdrahtung
aufwändige Entwicklung/ Entflechtung
preiswert
Schaltung unübersichtlich
Leitungen sind komplett isoliert
aufwändige manuelle Verdrahtung/Montage
Lösungsvariante 3: Lüsterklemme
BILD 15 LÜSTERKLEMME
Vorteile
Nachteile
schnelle & lösbare Verdrahtung
Klemme ist nicht fixierbar
preiswert
Schaltung unübersichtlich
Leitungen sind komplett isoliert
aufwändige manuelle Verdrahtung/Montage
27
Produktentstehungsphase
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
Wandeln
Speichern
Verknüpfen
Trennen
Trennen
Trennen
Trennen
Wandeln
Verknüpfen
Trennen
𝑆4𝑒𝑙
𝑆5𝑒𝑙
𝑆5𝑒𝑙 + 𝐸3𝑒𝑙
𝐸10𝑒𝑙
𝑆6𝑒𝑙
𝑆6𝑒𝑙
𝐸3𝑒𝑙
𝐸6𝑒𝑙
𝐸7th + 𝑆𝑡1
𝐸11𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: VC 2
BILD 16 VC 2
Vorteile
Nachteile
viele Funktionen realisierbar
teuer
geringe Abmessungen
benötigt Schnittstellen
hohe Geschwindigkeit
aufwändige Programmierung in Assembler
Lösungsvariante 2: Digitallogik
BILD 17 LOGIKBAUSTEIN
Vorteile
Nachteile
geringe Materialeinzelkosten
hoher Entwicklungsaufwand
kompakter Aufbau
sehr aufwändige Leiterplatte
hohe Geschwindigkeit
Reparatur aufwändig
28
28
Produktentstehungsphase
Lösungsvariante 3: SPS
BILD 18 SIEMENS SPS
Vorteile
Nachteile
Lange Lebensdauer
sehr teuer
einfache Programmierung
großer Platzbedarf
hohe EM-Verträglichkeit
hoher Strombedarf
29
29
Produktentstehungsphase
O
Trennen
𝐸1𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: Spannungsteiler
BILD 19 SPANNUNGTEILER
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
Spannung durch R1 /(R1+R2) einstelllbar
Kühlkörper nötig
Lösungsvariante 2: Spannungsregler L78M05CV
BILD 20 SPANNUNGSREGLER
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
Kühlfahne vorhanden
Ausgangsspannung fest auf 5V eingestellt
Lösungsvariante 3: Transformator
BILD 21 TRAFO
Vorteile
Nachteile
geringe Wärmeentwicklung
verhältnismäßig teuerer
geringe Energieverluste
EMV Abschirmung nötig
großer Platzbedarf
30
30
Produktentstehungsphase
P
d
i
m
q
u
y
𝐸4𝑒𝑙
𝐸8𝑒𝑙
𝐸14𝑒𝑙
𝐸16𝑒𝑙
𝐸18𝑒𝑙
𝐸20𝑒𝑙
𝐸22𝑒𝑙
Wandeln
Lösungsvariante 1: Widerstand
BILD 22 WIDERSTAND
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
Lösungsvariante 2: Spannungsregler L78M05CV
BILD 23 SPANNUNGSREGLER
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
Lösungsvariante 3: Mosfet Transistor
BILD 24 TRANSISTOR
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
31
31
Produktentstehungsphase
Q
e
j
n
r
v
z
𝐸5𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸9𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸15𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸17𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸19𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸21𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
𝐸23𝑡ℎ + 𝑆𝑡1
32
Verknüpfen
Lösungsvariante 1: Konvektion der Bauteile
BILD 25 WÄRMEBILD EINER LEITERPLATTE
Vorteile
Nachteile
kein zusätzlicher Platzbedarf
schnellere Bauteilalterung
keine Wartung
Gefahr der Überhitzung
keine zusätzlichen Kosten
Lösungsvariante 2: Freie Konvektion an Kühlrippe/Kühlfahne/Kühlkörper
BILD 26 KÜHLRIPPE
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
benötigt Platz
günstig
kann nur einen begrenzten Wärmestrom
abtransportieren
Lösungsvariante 3: Zwangskonvektion mit Lüfter
BILD 27 LÜFTER
Vorteile
Nachteile
regulierbare Kühlung
verhältnismäßig teuer
sehr gute Kühlung
großer Platzbedarf
benötigt Energie (Strom)
32
Produktentstehungsphase
S
T
U
V
W
X
Y
33
Trennen
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
𝑆𝑡1
Lösungsvariante 1: Selbstständige Verteilung der Luft
BILD 28 LUFTVERTEILUNG
Vorteile
Nachteile
kein zusätzlicher Platzbedarf
Es ist nicht sicher gestellt, dass immer kalte Luft
vorhanden ist
keine Wartung
keine zusätzlichen Kosten
Lösungsvariante 2: Verteilen mit einem Lüfter
BILD 29 LÜFTER
Vorteile
Nachteile
regulierbare Kühlung
verhältnismäßig teuer
sehr gute Kühlung
großer Platzbedarf
benötigt Energie (Strom)
33
Produktentstehungsphase
Z
f
Leiten
𝐸3𝑒𝑙
𝑆4𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: Leiterbahn
BILD 30 LEITERBAHNEN
Vorteile
Nachteile
platzsparend
aufwändige Entwicklung/ Entflechtung
komplizierte Anschlüsse möglich
teure Anfertigung
keine zusätzliche Montage nötig
Reparatur aufwändig oder nicht möglich
Lösungsvariante 2: Kabel
BILD 31 KABEL
Vorteile
Nachteile
kostengünstig
kann schnell unübersichtlich werden
auswechselbar
fehleranfällig bei Belastungen (Zug)
überkreuzte Schaltungen möglich
34
34
Produktentstehungsphase
a
g
k
o
s
w
𝐸3𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸1𝑒𝑙
𝐸12𝑒𝑙
𝐸13𝑒𝑙
Trennen
Lösungsvariante 1: Spannungsteiler
BILD 32 SPANNUNGSTEILER
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Spannung wird „verbraten“
günstig
große Wärmeentwicklung
Spannung durch R1 /(R1+R2) einstelllbar
Kühlkörper nötig
Lösungsvariante 2: Spannungsregler L78M05CV
BILD 33 SPANNUNGSREGLER
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
Ausgangsspannung fest auf 5V eingestellt
günstig
große Wärmeentwicklung
Kühlfahne vorhanden
35
35
Produktentstehungsphase
b
Verknüpfen
𝑆1mech + 𝐸3𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: 4x4 Tastenmatrix
BILD 34 4X4 TASTENMATRIX MIT I2C SCHNITTSTELLE
Vorteile
Nachteile
multifunktional
teuer
elegante Ausführung
zusätzliche Programmierung nötig
umprogrammierbare Tasten
benötigt viel Platz
Lösungsvariante 2: Taster
BILD 35 TASTER
Vorteile
Nachteile
kostengünstig
aufwändige Entwicklung/ Entflechtung
platzsparend
teure Platinenanfertigung
keine zusätzliche Programmierung
Reparatur aufwändig oder nicht möglich
36
36
Produktentstehungsphase
c
Wandeln
𝑆3𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: 4x4 Tastenmatrix
BILD 36 4X4 TASTENMATRIC MIT I2C SCHNITTSTELLE
Vorteile
Nachteile
multifunktional
teuer
elegante Ausführung
integrierter I2C Chip
umprogrammierbare Tasten
benötigt viel Platz
Lösungsvariante 2: Mikrocontroller
BILD 37 MICROCONTROLLER
Vorteile
Nachteile
geringe Abmessungen
teuer
hohe Geschwindigkeit
zusätzliche Programmierung nötig
37
37
Produktentstehungsphase
h
l
p
Verknüpfen
𝑆9𝑒𝑙 + 𝐸1𝑒𝑙
𝑆8𝑒𝑙 + 𝐸1𝑒𝑙
𝑆7𝑒𝑙 + 𝐸1𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: Schütz
BILD 38 SCHÜTZ
Vorteile
Nachteile
geringe Wärmeentwicklung
teuer
geringe Energieverluste
EMV Abschirmung nötig
kann große Ströme schalten
großer Platzbedarf
Lösungsvariante 2: Transistor
BILD 39 BIPOLAR-TRANSISTOR
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
benötigt Eingangsstrom
günstig
große Wärmeentwicklung
kompaktes Bauteil
Kühlkörper nötig
Lösungsvariante 3: Mosfet-Transistor
BILD 40 MOSFET-TRANSISTOR
Vorteile
Nachteile
einfach realisierbar
etwas teurer als der Bipolartransistor
benötigt keinen Eingangsstrom
große Wärmeentwicklung
kompaktes Bauteil
Kühlkörper nötig
38
38
Produktentstehungsphase
t
x
Wandeln
𝐸12𝑒𝑙
𝐸13𝑒𝑙
Lösungsvariante 1: LED
BILD 41 ROTE LED
Vorteile
Nachteile
auch bei kleinen Stückzahlen günstig
hohe Effizienz
energiesparend
benötigt Vorwiderstände
keine Einschaltverzögerung
Lösungsvariante 2: Energiesparlampe
BILD 42 ENERGIESPARLAMPE
Vorteile
Nachteile
kontinuierliches Lichtspektrum
geringer Wirkungsgrad
keine zusätzlichen elektrischen Komponenten benötigt sehr viel Platz
nötig
einfacher Aufbau
lange Einschaltzeit
Lösungsvariante 3: Display
BILD 43 DISPLAY
Vorteile
Nachteile
Bietet die Möglichkeit, zusätzliche Informationen teuer
anzuzeigen
geringe Stromaufnahme
„overkill“ für kleine Anwendungen
aufwändige Programmierung
39
39
Produktentstehungsphase
α
β
γ
𝐸1𝑒𝑙 + 𝐸24𝑒𝑙
𝐸27𝑒𝑙 + 𝐸28𝑒𝑙
𝐸25𝑒𝑙 + 𝐸26𝑒𝑙
40
Verknüpfen
Lösungsvariante 1: Wago-Klemme
BILD 44 WAGO-KLEMME
Vorteile
Nachteile
schnelle & lösbare Verdrahtung
aufwändige Entwicklung/ Entflechtung
preiswert
Schaltung unübersichtlich
Leitungen sind komplett isoliert
aufwändige manuelle Verdrahtung/Montage
Lösungsvariante 2: Lüsterklemme
BILD 45 LÜSTERKLEMME
Vorteile
Nachteile
schnelle & lösbare Verdrahtung
Klemme ist nicht fixierbar
preiswert
Schaltung unübersichtlich
Leitungen sind komplett isoliert
aufwändige manuelle Verdrahtung/Montage
40
Produktentstehungsphase
𝛿
𝜀
𝜖
𝜁
𝜂
𝜃
𝜗
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
𝑆𝑡2 + 𝑆𝑡2
Verknüpfen
Lösungsvariante 1: Selbstständige Verteilung der Luft
BILD 46 LUFTVERTEILUNG
Vorteile
Nachteile
kein zusätzlicher Platzbedarf
Luftbewegung ist nicht sichergestellt
keine Wartung
keine zusätzlichen Kosten
Lösungsvariante 2: Vermischen mit einem Lüfter
BILD 47 LÜFTER
Vorteile
Nachteile
regulierbare Kühlung
verhältnismäßig teuer
sehr gute Kühlung
großer Platzbedarf
benötigt Energie (Strom)
41
41
Produktentstehungsphase
𝜄
Verknüpfen
𝑆10optisch + 𝑆11𝑜𝑝𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ
Lösungsvariante 1: Gehäuse
BILD 48 GEHÄUSE MIT STATUSLEUCHTEN
Vorteile
Nachteile
bedienerfreundlich
aufwändiges Gehäuse
Gehäuse muss sichtbar angebracht werden
42
42
Produktentstehungsphase
2.14 LÖSUNGSALTERNATIVEN
43
43
Entwerfen
3 ENTWERFEN
3.1 RANKING DER KRITERIEN
Zur Auswahl der bestmöglichen Lösung ist es notwendig, Bewertungskriterien
festzulegen. Hierbei sollte die Anforderungsliste zur Orientierung heran gezogen
werden. Folgende Kriterien wurden nach reichlicher Überlegung und Diskussion
gewählt.
-
Gesamtabmessungen
Preiskennzeichnung
Stromverbrauch
Lebensdauer
Bedienungsfreundlichkeit
Farbvielfalt
Wartungsaufwand
Entwicklungszeit
Lichtintensität
Gewicht
Wärmeableitung
Störanfälligkeit
Programmablauf
Empfindlichkeit gegen mech. Belastung
Recycling
44
44
Entwerfen
3.2 AUSWAHL DER WICHTIGSTEN BEWERTUNGSKRITERIEN
Nach der Findung der Bewertungskriterien muss deren Bedeutung für den Gesamtwert
einer Lösung erkannt werden. So können bereits vor der eigentlichen Bewertung
unbedeutende
Bewertungskriterien
ausgeschlossen
werden.
Verbleibende
Bewertungskriterien erhalten einen Gewichtungsfaktor, der im nächsten Schritt
berücksichtigt wird.
Bei diesem Projekt wurde der Gewichtungsfaktor über ein Standardformular ermittelt. In
diesem werden alle Bewertungskriterien miteinander verglichen. Das Wichtigere wird
mit einem „+“ gekennzeichnet, das Unwichtigere mit einem „-“. Sollten beide Kriterien
gleichwertig sein, kann auch eine „0“ eingetragen werden und wenn es unklar ist ein
„?“. Letzteres sollte jedoch möglichst vermieden werden. Dieser Schritt wird zweimal
durchgeführt (ober- und unterhalb der Diagonalen) und die Ergebnisse miteinander
verglichen. Sollte es zwischen den beiden Bewertungen eine Abweichung geben, muss
diese noch einmal separat geprüft werden. Um die Gewichtungen zu berechnen, wird
gezählt, wie viele „+“ gesamt vergeben wurden und wie viele an jedes Kriterium. Der
Quotient daraus ergibt die Gewichtung.
𝐺𝑒𝑤𝑖𝑐ℎ𝑡𝑢𝑛𝑔𝐾𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒𝑛 =
𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 "+" pro 𝐾𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒𝑛
𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 " + " 𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡
45
45
Entwerfen
Auswahl der wichtigsten Bewertungskriterien
46
zu Auftrag
-
gK
"+"
-
-
-
-
-
-
-
o
-
-
-
-
-
-
o
-
o
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
-
-
+
-
o
+
-
-
+
+
+
-
-
+
-
-
+
o
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
-
-
+
-
-
o
+
-
+
+
o
-
o
+
+
+
-
-
-
+
+
-
-
-
+
-
-
+
+
+
o
o
+
+
+
Preiskennzeichnung
+
Stromverbrauch
+
+
Lebensdauer
+
o
-
Bedienungsfreundlichkeit
+
+
+
+
Farbvielfalt
+
o
+
+
-
Wartungsaufwand
+
-
-
-
-
-
Entwicklungszeit
+
+
+
+
+
+
+
Lichtintensität
+
-
o
+
-
-
+
-
Gewicht
o
-
-
-
-
-
-
-
-
Wärmeableitung
+
+
+
o
-
+
+
o
+
+
Störanfälligkeit
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Programmablauf
+
-
-
+
-
-
o
o
+
+
-
o
robust gegen mech.
Belastung
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
o
-
Recyclin
+
-
-
-
-
-
+
-
-
+
-
-
-
+
-
Name:&Eggers,&Klingel
Datum:&08.06.2013
46
0
0,00
7
0,07
8
0,08
5
0,05
12
0,13
9
0,09
3
0,03
11
0,12
6
0,06
1
0,01
10
0,11
12
0,13
6
0,06
2
0,02
3
å"+"
BILD 49: LISTE DER BEWERTUNGSKRITERIEN
Gewichtsfaktor
Anzahl der +
Zeichen
Recyclin
robust gegen mech.
Belastung
Programmablauf
Störanfälligkeit
Wärmeableitung
Gewicht
Lichtintensität
Entwicklungszeit
Farbvielfalt
Bedienungsfreundlichkeit
Lebensdauer
Stromverbrauch
Preiskennzeichnung
Gesamtabmessungen
Gesamtabmessungen
Wartungsaufwand
für RGB-Band Ansteuerung
Firma
95
0,03
1,00
Entwerfen
3.3 VERFAHRENSMATRIX
Die Verfahrensmatrix dient dazu, aus den verschiedenen Lösungen der
Morphologie die Beste heraus zu filtern. Dazu werden Punkte an jede Lösung für
jedes Bewertungskriterium vergeben. Die Punkteskala kann dabei frei gewählt
werden. Anschließend werden die Punktzahlen mit der Bewertungsgewichtung
multipliziert. Die Summe daraus wird mit der Ideallösung verglichen. In der
Ideallösung wird jedes Kriterium mit der höchsten Punktzahl gewertet.
47
47
BILD 50 VERFAHRENSMATRIX
Entwerfen
48
48
Entwerfen
3.4 ERGEBNIS DER NUTZWERTANALYSE
Die Nutzwertanalyse gibt Aufschluss darüber, welche Lösung nach den
ermittelten Bewertungskriterien die beste ist.
Gesamtlösung 1
Gesamtlösung 2
Gesamtlösung 3
ideale Lösung
Punktsumme
Nutzwert
123
86
102
150
8,23
6,45
7,11
10,00
Gewichtete
Wertigkeit
0,82
0,64
0,71
1,00
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde die Lösung 1 ausgewählt. Deren Wertigkeit
ist mit 0,82 die höchste. Nach Hansen muss eine Lösung eine gewichtete
Wertigkeit > 0,7 besitzen, was für die gewählte Lösung 1 zutrifft.
Richtzahlen für den Grad der Wertigkeit nach Hansen:
w < 0,6
Alternative nicht
befriedigend
Alternative ist brauchbar
Alternative ist günstig
0,6 ≤ w ≤ 0,7
w > 0,7
Sollte nach der Nutzwertanalyse keine Lösung vorliegen deren Nutzwert
mindestens ≥ 0,6, besser > 0,7 ist, muss das gesamte Konzept noch einmal
überarbeitet werden. Dabei sollte vor allem an den Kriterien gearbeitet
werden, die eine große Gewichtung haben. In unserem Fall handelt es sich
dabei die Bedienungsfreundlichkeit oder die Störanfälligkeit mit jeweils 0,13.
49
49
Entwerfen
3.5 AUSGEWÄHLTE LÖSUNG / PROTOTYP
50
50
Anhang
4 ANHANG
4.1 PROTOKOLLE
4.1.1 PROTOKOLL SITZUNG 1
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Mittwoch 17.4.
Nora, Simon, Marc, Felix, Philipp
13:00-14:30
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Erstes Treffen
 Top2: Projektideen/Vorschläge sammeln
 Top3: PP zu RGB-Band
4.1.2 PROTOKOLL SITZUNG 2
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Samstag 20.4.
Nora, Simon, Marc, Felix, Philipp, Daniel
9:00-16:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Vorstellen der Projektideen mit Aufwandsabschätzung
 Top2: Festlegen des Projekts
 Top3: Mindmap erstellen
 Top4: Problemstellung formulieren
 Top5: Aufgabenstellung formulieren
 Top6: Gruppenfotos
4.1.3 PROTOKOLL SITZUNG 3
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Montag 29.4.
Nora, Simon, Marc, Felix, Philipp
8:30-10:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Stand der Technik
 Top2: Anforderungsliste
 Top3: Black Box
iv
iv
Anhang
4.1.4 PROTOKOLL SITZUNG 4
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Dienstag 30.4.
Simon, Marc, Felix, Philipp, Daniel
11:30-13:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Blockschaltbild
4.1.5 PROTOKOLL SITZUNG 5
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Freitag10.5.
Nora, Simon, Marc, Felix, Philipp, Daniel
10:35-12:30
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Mindmap in Visio übertragen
 Top2: theoretische Überlegungen Schaltplan
4.1.6 PROTOKOLL SITZUNG 6
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Samstag 11.5.
Nora, Simon, Marc, Philipp, Daniel
8:00-15:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Anfang Funktionsstrukturplan
 Top2: Black Box überarbeiten
 Top3: Projektplan
4.1.7 PROTOKOLL SITZUNG 7
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Montag 13.5.
Nora, Simon, Marc, Felix, Daniel
8:00-14:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Anfang Platinen Layout
 Top2: Funktionsstrukturplan
 Top3: Ansteuerung von einer Farbe über den VC_2 mithilfe
Steckbrett
v
v
Anhang
4.1.8 PROTOKOLL SITZUNG 8
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Samstag 18.5.
Daniel, Simon, Marc, Felix, Nora, Philipp
8:00-15:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Aufbau der Schaltung mit alternativen Mosfets und
Kondensatoren -> brauchen andere Mosfets
 Top2: Suchen nach alternativen Mosfets
 Top3: Suche nach Bauteilen bei Farnell
 Top4: Morphologie
 Top4: Nutzwertanalyse
 Top5: Blockschaltbild
4.1.9 PROTOKOLL SITZUNG 9
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Samstag 25.5.
Daniel, Simon, Marc, Felix, Nora, Philipp
9:00-14:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Suche nach Bauteilen bei Farnell
 Top2: Schaltplan und Platinen Layout
 Top3: Erste erfolgreiche Programmsteuerung mit Zusatzplatine und
Steckbrett
 Top4: Stand der Technik
4.1.10 PROTOKOLL SITZUNG 10
Datum:
Freitag 31.5.
Anwesend: Felix, Nora, Philipp, Daniel, Simon
Zeitraum:
9:00 - 13:00
Besprechungspunkte:
 Top1: Funktionsstrukturplan neu
 Top2: Morphologie überarbeiten
 Top3: Texte für PEP
vi
vi
Anhang
4.1.11 PROTOKOLL SITZUNG 11
Datum:
Anwesend:
Zeitraum:
Ort:
Samstag 8.6.
Daniel, Marc, Felix, Nora, Philipp
8:00-14:00
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Texte für PEP
 Top2: Funktionsstrukturplan überarbeiten
 Top3: Morphologie überarbeiten
 Top4: Vor-Nachteile
4.1.12 PROTOKOLL SITZUNG 12
Datum:
Donnerstag 13.6.
Anwesend: Daniel, Simon, Marc, Felix, Nora, Philipp
Zeitraum:
8:00-9:30
Besprechungspunkte:
 Top1: Texte für PEP
 Top2: Layout PEP
 Top3: Funktionsstruktur Layout
4.1.13 PROTOKOLL SITZUNG 13
Datum:
Donnerstag 13.6.
Anwesend: Simon, Felix, Philipp
Zeitraum:
13:00 – 22:00
Besprechungspunkte:
 Top1: Layout PEP
4.1.14 PROTOKOLL SITZUNG 14
Datum:
Anwesend:
Datum:
Ort:
Mittwoch 19.6.
Daniel, Simon, Marc, Felix, Nora, Philipp
8:00 - 11:30
Hochschule Karlsruhe
Besprechungspunkte:
 Top1: Texte für PEP
 Top2: Layout PEP
vii
vii
Anhang
4.1.15 PROTOKOLL SITZUNG 15
Datum:
Mittwoch 19.6.
Anwesend: Simon, Felix, Philipp
Datum:
11:30 – 17:00
Besprechungspunkte:
 Top1: Texte für PEP
 Top2: Layout PEP
4.1.16 PROTOKOLL SITZUNG 16
Datum:
Mittwoch 20.6.
Anwesend: Nora, Felix, Philipp
Datum:
13:00 – 18:00
Besprechungspunkte:
 Top1: Texte für PEP
 Top2: Layout PEP
viii
viii
Anhang
4.2 QUELLEN
Bild Titel und Bild 2:
http://www.highlumen.de/media/images/popup/RGB-Band.png
Bild 4
http://www.sound-systems24.de/Lichteffekte/Lichttechnik/LED-Leisten/LED-Stripes/LEDBaender/LED-Leiste/LED-Stripe/LED-Band-RGB-mehrfarbig.html
Bild 5
http://schmidt-infosystems.de/rbg_controller_mit_funk_fernbedienung.html
Bild 6
http://www.voelkner.de/products/51415/Chromoflex-Iiirc-Stripe-Rgb-Funk-Farbstr.html
Bild 7
http://www.buyledstrip.com/de/rgb-controller-touch-fernbedienung-schwarz-6-key.html
Bild 13 und Bild 30:
http://www.einfach-cnc.de/platinen_frasen.html
Bild 14 und Bild 44:
http://www.conrad.de/ce/de/product/731777/Loetbare-Klemme-mit-KaefigzugfederprinzipAK3000-Rastermass-50-mm-Polzahl-4-PTR-53000040001F-Inhalt-1-St
Bild 16:
http://www.hit-karlsruhe.de/VC_2/02-Hardware/Bilder/VC_2_Cent_HIntergrund_schwarz.png
Bild 17:
http://www.pollin.de/shop/dt/ODUwOTk4OTk/Bauelemente_Bauteile/Aktive_Bauelemente/IC/Operationsverstaerker_ST_L2720.html
Bild 18:
http://www.siemens.com/press/de/pressemitteilungen/2012/industry/industryautomation/iia2012113300.htm
Bild 20:
( und Bilder 23, 24,33, 39, 40 )
http://www.conrad.de/ce/de/product/151334/MOSFET-N-Kanal-Fairchild-SemiconductorBUZ11-N-Kanal-Gehaeuseart-TO-220AB-ID-30-A-UDS-50-V
Bild 21:
http://www.conrad.de/ce/de/product/574225/Halogen-Transformatoren-elektronischElektronischer-Transformator-Standard-50-150-W-TL150S?queryFromSuggest=true
Bild 26:
http://www.conrad.de/ce/de/product/235499/Reely-Alu-Kuehlkoerper
ix
ix
Anhang
Bild 27:
( und Bilder 29, 47 )
http://www.ebay.de/itm/Enermax-T-B-Silence-Fan-UCTB14-140mm-Luefter-/380339751188
Bild 28 und Bild 46:
http://www.wetter24.de/uploads/pics/Europe_2012032900_thgt850_0.png
Bild 31:
http://www.conrad.de/ce/de/product/601382/OeLFLEX-180-SIF-Einzelader-Silikon-1-x-15-mmSchwarz-Meterware-LappKabel
Bild 34 und Bild 36:
http://www.rn-wissen.de/index.php/Rn-definitionen
Bild 35:
http://bausteln.de/wp-content/uploads/2009/02/taster-500x375.jpg
Bild 37:
http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrocontroller
Bild 38:
http://www.elektronetshop.de/dokumente/artikel/FotoKlein/P_I201_XX_01008i300300.jpg
Bild 41:
http://www.conrad.de/ce/de/product/184705/LED-diffus-5-mm-L-53-GD-Gruen-60Gehaeuseart-5-mm-40-mcd
Bild 42:
http://www.conrad.de/ce/de/product/361205/OSRAM-ENERGIESPARLAMPE-STAR-E27-11WWARM-WEIss-ROEHRENFORM
Bild 43:
http://www.conrad.de/ce/de/product/183045/Alphanumerisches-LCD-Modul-GleichmannGE-C1602B-TMI-JTR-Zeichenformat-16-x-2-Zeichenhoehe-555-mm-Blau-Weiss
Bild 48
http://www.gravis.de/Zubehoer/Netzwerke/Huawei-E5331-Mobiler-Hotspot-UMTS-WLANRouter-1.html
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x
Anhang
4.3 BLOCKSCHALTBILD
4.3.1 BLOCKSCHALTBILD SIGNAL
4.3.2 BLOCKSCHALTBILD ENERGIE
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xi
Anhang
4.4 SCHALTPLAN
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xii
Anhang
4.5 PLATINENLAYOUT
xiii
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