Liebe Modellbaukollegen,
so, es ist soweit, ich habe mal wieder was zusammen, was ich Euch zeigen kann. Ja, ich gebe zu, es hat nicht so übermäßig viel mit dem eigentlichen Modellbau zu tun, aber da müsst Ihr jetzt durch. Ich bemühe mich auch, das Ganze so schnell wie möglich abzuhandeln. Und es kommt auch wieder mehr Modellbau. Versprochen.
Aber zunächst ein Nachtrag. Die 60g Ballast für unter dem Flurboden, hinter dem Cocckpit. Hier habe ich eine Hohlform 3D-gedruckt, die ich mit Blei, "Liquid Gravity" und Epoxidhrz gefüllt habe. Die Form war nicht so einfach zu entwerfen, da der Rumpf an der Stelle, wo der Ballast hin soll, nicht zylindrich, sondern kegelig ist. Habe ich aber hinbekommen, sogar mit eingebautem Kabelkanal für die Kabinenbeleuchtung:
Die 60g sind im Bauplan vorgesehen.
Tja, dass da noch irgend etwas aus der Elektronik-Ecke kommen wird, habt Ihr sicher schon geahnt, als ich die Beleuchtung in die Kabine gebaut habe. Und dass ich eine interne Stromversorgung haben will, hatte ich ja auch schon angedeutet. Und ich möchte keine äußerlich sichtbaren Schalter oder Kabel haben. Daher der folgende Gesamtplan (der Übersichtlichkeit halber etwas vereinfacht):
Was haben wir da? Als Stromquelle SuperCaps, die über einen 3-poligen Ministecker von außen geladen werden können. Die Buchse (die in der Skizze mal weggelassen habe) ist übrigens die einzige äußerlich sichtbare Komponente der Elektronik - genau genommen wird man auch nur 3 kleine Löchlein sehen. In der Schaltskizze habe ich die SuperCaps rechts unten mit dem Kondensatorsymbol vermerkt. Dann habe ich mir mehrere Varianten von verschieden großen und verschieden verschalteten SuperCaps angesehen, die rein geometrisch Platz im Rumpfheck hinter der Kabine haben würden (der einzige größere freie Raum). Natürlich auch mit der Nebenbedingung, dass da hinten möglichst wenig Masse hinkommt, Ihr wisst schon, die Tailsitter-Problematik. Trotzdem möchte ich selbstverständlich möglichst viel Energie speichern; dazu folgende 3 denkbare Varianten (C: Kapazität der SuperCaps, U (voll): maximale Ladespannung der SuperCaps, U (leer): minimale Spannung, bis zu der die Elektronik noch „läuft“ und entnehmbare Energie E = ½ * C * (U²(voll) - U²(leer))
Entschieden habe ich mich für die 3. Variante, die entnehmbare Energie E spricht da, glaube ich, für sich. Damit ich die 6 Zellen ordentlich verlöten kann (die SuperCaps sind nämlich ganz schön schlüpfrige Scheißerchen
) habe ich mir eine spezielle Halterung 3D-gedruckt. Die kommt aber nicht ins Modell sondern dient nur dem Bau des SuperCap-Packs:
Direkt verbunden damit ist ein Step-Up-Spannungswandler, der aus der recht variablen SuperCap-Spannung eine konstante von 5V macht. Die brauche ich einerseits als Versorgung für die Beleuchtung, andererseits aber auch für einen kleinen Funkempfänger, mit dem ich die Funktionen bequem schalten kann – ohne auf einen äußerlich sichtbaren Schalter oder ähnliches angewiesen zu sein. Entschieden habe ich mich für ein fertiges USB-Wandlermodul,
dem ich, aus Platzgründen, die USB-Buchse ausgelötet und eine Kontroll-LED entfernt habe; einerseits, um die Lichtquelle im späteren Inneren des Rumpfes loszuwerden und andererseits um den Eigenstrombedarf zu minimieren.
So ist es nun einbaufertig:
Von den Funksendern und -empfängern (QUIACHIP 433 MHz) bin ich wirklich begeistert. Sie brauchen wenig Strom, sind kompakt, verlässlich und nicht teuer. Jeder der 4 Kanäle hat im Empfänger einen eigenen Ausgang, den man in 3 Modi betreiben kann: entweder schaltet der Ausgang so lange, wie man die Taste drückt, oder der Schaltzustand ändert sich mit jedem Tastendruck dieses Kanals, bleibt dazwischen aber erhalten (toggle-Modus) oder der auf dem Sender gedrückte Kanal wird aktiviert und der bis dahin aktivierte deaktiviert (latch-Modus). Für meine Zwecke ist der toggle-Modus ideal, so kann ich über je einen kurzen Tastendruck ganz bequem die Beleuchtung an- und ausschalten und unabhängig davon die Motortreiber-Platine an- und abschalten. Links Sender mit Antenne, rechts Empfänger mit Antenne:
Ja, ich werde auch Motoren einbauen. Dazu habe ich schon einige Male Mini-Elektromotoren verwendet und mir dafür auf Vorrat kleine Platinen ätzen lassen, die einen Step-Down-Spannungswandler (für die Minimotoren brauche ich nur etwa 0,3V, die aus der recht variablen SuperCap-Spannung erzeugt werden muss), einen µC, der bis zu 4 angeschlossene Motoren per Software-PWM nacheinander langsam hochlaufen lässt, und kleine Schalttransistoren, die die µC-Ausgänge puffern, enthalten. Auf dem folgenden Bild befindet sich die bestückte Platine im Hintergrund:
Und warum nun der Aufwand mit den Step-Up und -Down-Wandlern? Naja, sie sind energieeffizient, besonders wichtig bei dem begrenztem Energieangebot von den SuperCaps. Bei dem Step-Down für die Motoren wäre auch je ein ordinärer Widerstand denkbar gewesen, aber dann hinge die Drehzahl direkt von der momentanen SuperCap-Spannung ab und variiert von 5V bis runter zu 1V. Außerdem kämen nur etwa 10% der elektrischen Energie bei den Motoren an, der Rest würde von den Widerständen „aufgefressen“. Mit dem Step-Down liegt man, selbst bei diesen Kleinststromanwendungen, bei mindestens 30%, meist sogar deutlich mehr. Das gilt auch für die Step-Ups, wobei ich hier keine vernünftigen Alternativen kenne, die aus geringen Eingangs- höhere Ausgangsspannungen erzeugen. Vielleicht Ladungspumpen, aber die haben keine hohen Wirkungsgrade.
Allgemein kann man sagen, dass Step-Up- (oder Boost- oder Aufwärts-) Wandler kleine Eingangsspannungen mittels hohem Eingangsstrom in hohe Eingangsspannungen mit geringen Ausgangsströmen wandeln, bei Step-Down- (oder Buck- oder Abwärts-) Wandler ist es genau umgekehrt. Attraktiv wurden beide Wandlertypen durch hohe Wirkungsgrade und den geringen Bauteilaufwand, den moderne Schaltkreise mittlerweile nur noch erfordern. Und wenn man Glück hat, kann man für wenige Cents oder Euros schon fertige Module.
Apropos Module, für den 5V Step-Up habe ich mir 3 unterschiedliche Module besorgt und hinsichtlich der erzielbaren Betriebszeiten verglichen und das beste (also das mit der längsten Betriebsdauer pro SuperCap-Ladung) ausgewählt. Hier nur im Bild die 3 Module, ich will Euch nicht mit den Messungen langweilen.
Ich möchte Euch aber kurz Messungen mit Beleuchtung und laufenden Motoren zeigen. Im folgenden Bild habe ich die SuperCaps geladen und bei t = 0 die Beleuchtung eingeschaltet.
Die Spannung der SuperCaps (blau) fällt langsam ab, der Gesamtstrom, den die SuperCaps liefern (rot), steigt an, da der Step-Up, wenn man so will, immer mehr Strom in Spannung umwandeln muss, um seine 5V zu halten (grün). Ab der Stromspitze bei 06:06 min kann der Step-Up die 5V am Ausgang nicht mehr halten, weil sein Eingangsstrom intern begrenzt ist. Seine nominelle 5V-Spannung fällt stärker ab als zuvor. Das Überschreiten der Stromspitze heißt dabei nicht, dass die LED-Beleuchtung schlagartig ausgeht, sondern die Helligkeit nimmt langsam ab, bis die Step-Up-Spannung unter 1,5V gefallen ist (kleines waagerechtes Stück der grünen Linie) und die LEDs sind ab da tatsächlich aus.
Das wesentliche Ergebnis: über 6 min ununterbrochene Beleuchtung werden sicher erreicht.
Etwas ähnliches habe ich mit den Motoren gemacht. Das Ergebnis:
Hier habe ich bei t = 0 die Motoren gestartet. Was man in der roten Gesamtstromkurve bis t = 3 min sehr schön sehen kann sind die 4 Stufen, die mit dem sequenziellen Einschalten und „Hochfahren“ der 4 Motoren korrespondiert. Bei etwa 21 min gehen die Motoren aus (senkrechter Abfall der roten Linie) und gehen auch nicht mehr an; der Step-Up versucht aber noch, seine 5V zu erzeugen (2. Anstieg der roten Kurve), bis auch er es nicht mehr schafft (Knick in der grünen bzw. Peak in der roten Kurve bei ca. 23 min).
Wesentliche Erkenntnis hier: die SuperCaps speichern so viel Energie, dass die Motoren über 20 min ununterbrochen betrieben werden können.
Und – nicht ganz unwichtig – die Schaltung funktioniert!
Selbstverständlich können Beleuchtungs- und Motorenmodus beliebig häufig durch die Fernsteuerung an- und abgeschaltet und auch parallel betrieben werden. Ganz wie man möchte.
Auf dem nächsten Bild ist die Gesamtschaltung zu sehen,
die Motoren sind nur provisorisch angelötet, um die Funktion prüfen zu können. Und an der rechten oberen Ecke des Motortreiberbausteins habe ich noch einen Taster verbaut (unter dem länglichen schwarze Teil mit den blauen Drähten). Der Funkempfänger muss nämlich vom Funksender angelernt werden. Das habe ich zwar gemacht, aber was ist, wenn ich die Fernbedienung mal verliere? Oder eine andere nutzen möchte? Also habe ich die Taste auf der Platine mit einem anderen Taster überbrückt und bin nun, hoffentlich, auf der sicheren Seite.
So, Ihr habt den Teil mit der „trockenen“ Elektronik geschafft. Jetzt muss alles nur noch in den Rumpf rein. Nächstes Mal geht’s wieder mehr um Modellbau.