Man kann Schaltungen auf die Schnelle auch einfach mal "fliegend" aufbauen, einfach Beinchen an Beinchen löten und etwas auf die Isolierung achten, dann klappt das schon.
Eine andere Möglichkeit wäre ein Experimentierboard (Veroboard), hier auch was Kniffiges.
Unsere Schaltung besteht inzwischen allerdings aus etwas mehr als 16 Bauteilen, einem IC und zwei Transistoren, die auch noch gekühlt sein wollen. Daher lohnt sich für uns eher der Aufbau auf einer dauerhaften Unterlage.
Ich habe die Platine mal gleich auf das richtige Maß geschrumpft, sie soll später in einem kleinen Alugehäuse Platz finden, lasst euch durch dieses merkwürdige Boardlayout nicht verwirren.
Übrigens sollte man ja allgemein immer mit offenen Augen durch die Gegend stapfen. Daher lohnt immer mal ein Spaziergang zum naheliegenden Schrottplatz, dort findet sich oftmals vieles, was das Bastlerherz begehrt. Wenn man alle Bauteile und Zutaten immer neu kaufen müsste... Daher benutze ich gleich die gefundenen Alugehäuse auf Rose-Basis für den Barnzih V2, wird noch ein bisserl angemalt, dann ist es perfekt!
Wie ihr sehen könnt, geht es auf der Platine ganz schön heftig hin und her. Das ist leider der Nachteil des kleineren Gehäuses. Wenn unsere Schaltung später mal ausgereift ist, können wir ja immer noch eine Platine ätzen oder fräsen lassen.
Schade, dass unsere MOSFET-Transistoren nur in der TO-220-Gehäuseform zu haben sind, da wird es etwas kniffelig mit der Verdrahtererei. Die Verbindungen von Drain und Source an die Klemmen wurden auf der Platinenunterseite mit grösserem Querschnitt verlötet, es kommen da ja unter Umständen einige Ampere zum Fließen. Die Leiterbahnen sind für solche Ströme leider nicht zu gebrauchen, auch nicht, wenn man einfach eine "Bahn" lötet um den Querschnitt zu erhöhen. Die Gefahr, dass sich das Kupfer von der Trägerplatte löst ist zu gross.
Oben
Unten
So sieht das dann in etwa aus.
Übrigens: Die Bauteile, die mit 0.1% Toleranz angegeben sind, tauchen ja immer im Päärchen auf. Das bedeutet für uns nicht zwingend, daß sie unbedingt genau auf den Nennwert passen müssen (...und sie nebenbei auch ganz schön teuer machen würde), sondern daß wir uns immer ein passendes Paar mit identischem Widerstandswert ausmessen (Selektion eines "matched pair").
Einfach mal alle Widerstände kurz durchmessen, Wert notieren, passendes Paar auswählen.
Handcontroller mit SCD-Wiperboard
Eigentlich wollte ich ja nur meinen alten 40Ω-Parma-Controller anschließen und die Schaltung mal testen. Leider wurde daraus erstmal nichts:
So sieht ein Parma-Widerstand nach ca. drei Jahren aus, der Lack ist ab. Wurde im Karton im Trockenen gelagert! Wieder mal ein Beweis mehr, dass man diesem Amischrott nicht trauen kann.
Ich hoffe, wenigstens der fein zerstäubte Lack war nicht auch noch krebserregend...
Ich habe daher mal auf dem verbliebenen Rahmen ein SCD-Wiperboard verbaut.
SCD-Wiperboard
Zum SCD-Board muss man sagen: auch das ist nicht das gelbe vom Ei. Der Versand aus England war schonmal eine ziemliche Tragödie, daran ist aber hauptsächlich die örtliche Postfiliale verantwortlich, die das Päckchen ohne Auslieferschein einfach wieder zurückgeschickt hat. Meine SCD-Wiperboards waren also am Ende zweimal in England um jetzt hier auf dem Schreibtisch zu liegen... (fast wie bei der Formel 1)
So in etwa kann man das ganze montieren.
Die dicken Kabel sind natürlich nicht nötig, ich habe sie aber einfach auf die Schnelle vom Vorgänger übernommen.
Aber wie bereits erwähnt: ganz glücklich bin ich mit dieser Variante auch nicht. Die Platine des SCD-Wiperboards ist erstens aus Kupfer und nicht aus Messing gefertigt, außerdem passt es, bestückt mit den Widerständen, nicht mehr richtig in die Parma-Griffschalen, da muss gesägt werden. Und nebenbei erwähnt: Wenn ich schon ein solches Board ätze, das nicht in die Schalen passt, dann mache ich es doch zumindest so, daß man die Widerstände vernünftig einlöten kann, oder?
Das Board ist zu allem Übel auch noch "Handgesägt" und "Handgebohrt", was in diesem speziellen Fall leider einen großen Nachteil darstellt, aber immerhin hat sich da jemand Mühe gemacht...
Also alles in allem: Knapp an Note 4 vorbeigeschrammt, eine 3- wäre noch vertretbar, immerhin funktioniert es ja dann zum Glück, besser hätten wir das (vielleicht) auch nicht hinbekommen?
Zu guter letzt musste auch noch der Schleiferfinger etwas modifiziert und der Schaltkontakt abgesägt (gekürzt) werden. Der Kontakt zum Schleifer ist nämlich ein kleiner Knackpunkt, wie ihr seht, wird alles auf eine Lösung mit Potentiometer hinauslaufen, das wird uns demnächst noch beschäftigen...
Messbrücke mit SCD-Wiperboard
Die (Viertel-)Brückenschaltung an unserem OPV1 für das SCD-Wiperboard mit 24 x 120Ω Widerständen = 2880Ω würde so aussehen:
R1 und R2 mit je 1kΩ, der Rückkopplungswiderstand R5 mit 35k. R5 mit 35k ist mit Poti für den Offset schlecht zu realisieren, daher wäre besser:
R1 und R2 mit je 5760Ω, der Rückkopplungswiderstand R5 mit 200kΩ. R5 kann durch ein 250k-Potentiometer sehr gut ersetzt werden, man nimmt aber noch einen Widerstand R5 von 10k...100k in Reihe, falls der SCD-Widerstandswert kleiner ausfallen sollte (Die Toleranzen der 24 Einzelwiderstände summieren sich ganz schön)
Allgemein legt man die Brücke so aus:
Ausgehend von 10V, sollte man bei verstimmter Brücke (Regler auf Bremse) 4V am Minus-Eingang des OPV1 anliegen haben. Vollgas bedeutet ja 5V!
Dadurch erhält man diese Formel zur Berechnung der beiden Brückenwiderstände:
10V / (RAbgriff + 2RBrücke) = 4V / RBrücke aufgelöst:
RBrücke = 4*RAbgriff /10-2*4
RBrücke = 2*RAbgriff
Mit Hilfe der Formel von S.Gemmel erhält man den Wert für den Rückkopplungswiderstand R5: VCC=10V, UEMIN=4V, UEMAX=5V, UAMIN=0V, UAMAX=5V, R3=100kΩ
Handcontroller mit Potentiometer (Poti-Controller)
Bei meiner ersten Variante machte ich mir noch zu viele Gedanken. Eine Lösung mit Zahnrädern, die die ca. 30°-Fingerdrehung in eine 320...360°-Potidrehung umsetzen, war einfach zu aufwendig und schwergängig. Nach vielen Stunden Bauzeit hatte ich zwar eine Lösung mit 100% Widerstands-Spanne aber aus dem leichtgängigen Poti war ein behäbiges Gebilde mit starker Rückzugsfeder geworden, absolut unbrauchbar.
Daher die Idee: Wenn ich 100Ω benötige, dann verwende ich eben ein zehnmal größeres Poti (z.B. 1kΩ) und benutze nur die ersten 30° der Drehskala...!
Die Ausführung ist dann recht simpel:
Man nimmt den Parma-Pro-Rahmen als Schablone, zeichnet die Konturen, Aussparungen und Löcher auf eine Aluminiumplatte, sägt die Form mit der Laubsäge aus, feilt die Kanten gerade und bohrt die nötigen Löcher, fertig.
Wichtig ist, daß man für das Potentiometer etwas "Fleisch" stehen lässt, damit es sicher sitzt.
Ich verwende als Poti ein leichtgängiges Drahtpoti von der Firma Megatron. Einfache Ausführung, bessere Ausführung. Natürlich ist der Preis von 30.-EUR für uns unerschwinglich. Daher müssen wir uns eben nochmals zum Schrottplatz begeben und nach Regelventilen oder Klappenmotoren Ausschau halten. Dort sind diese Potis als lineare Positionsrückmeldung gerne verbaut, waren sie einige Jahre im Einsatz, dann sind sie für uns optimal eingeschliffen!
Auf die 6mm-Drehachse kann man prinzipiell einen fertigen Nylon-Abzugshahn von Parma oder MRRC setzen, selbst einen feilen oder meine Variante aus PVC-Schlauch verwenden.
Die Gehäuseschalen müssen natürlich noch ausgeschnitten werden, das ist aber dann auch schon der größte Aufwand.
Der Vorteil des Parmahahns wäre, daß der Kontakt für die Bremse verwendet werden kann, ansonsten benötigen wir noch einen kleinen Mikroschalter.
So kann das ungefähr aussehen.
Anschluss mit Mikroschaltern
Übrigens ist noch wichtig zu wissen: ein Draht-Potentiometer schließt selten direkt kurz. Wenn man bei 0°-Stellung auch wirklich sicher 0Ω haben möchte, sollte man vorsichtshalber einen Mikroschalter für Vollgas vorsehen.
Handregler, die Dritte...
Aus der Erkenntnis heraus, daß viele Fahrer ihre "Versteller" lieber am Handregler haben, gibt es natürlich noch eine Möglichkeit, zu optimieren.
Erstmal für die Offseteinstellung. Bisher war dieser große Poti mit 1M im Rückkopplungszweig von OPV1 nötig, der ist erstens: schwer zu bekommen und zweitens: recht sensibel in der Handhabung. Daher die Überlegung, den Offset nicht in der Rückkopllung sondern direkt in der "Brücke" zu platzieren.
Hier die geänderte Schaltung. Das Poti P1 und R6 werden im Handregler verbaut.
Bei der Auswahl der Widerstandswerte geht man folgendermaßen vor:
- Bestimmen des Wiperwiderstandes bei "Nichtbetätigung", also im Ruhezustand. Hier im Beispiel 2kΩ.
- Der Wert für die beiden Brückenwiderstände wählt man mindestens 50x grösser als den Wiperwiderstand, hier im Beispiel R1 und R2 mit je 100kΩ.
- Die andere Brückenhälfte mit R3 und R4 kann man bei 100kΩ belassen, 1MΩ wäre genauso geeignet.
- Der Rückkopplungswiderstand R5 entspricht R3, R4, hier auch 100kΩ, bzw. 1MΩ.
- Der Widerstand R6 bestimmt den Arbeitspunkt unseres Wiperwiderstandes und soll dafür sorgen, daß bei ganz zurückgedrehtem Offset-Poti P1, die Schaltung 1:1 arbeitet.
R6 entspricht ca. 2x Wiperwiderstand, hier im Beispiel 4kΩ. - Das Offsetpoti P1 kann je nach Vorliebe gewählt werden, als Richtwert gilt etwa 5x Wiperwiderstand. So kann der Offset in einem weiten Bereich verstellt werden.
Nach diesem Schema kann man prinzipiell für jede Art von Abgriff, ob Poti, Schleiferwiderstand, Wiperboard... seinen Regler anpassen.
Modifizierte Schaltung für Abgriff 1kΩ
Verdrahtung Handregler mit Mittelabgriff-Poti
Erste Versuche
Die Schaltung muss natürlich endlich auch mal ausprobiert werden und an die Bahn!
Als erstes messen wir nochmal nach Sichtkontrolle und ohne IC, mit dem Ohmmeter stichprobenartig die Schaltung durch. Gröbere Fehler, wie: vergessene Brücken oder Unterbrechungen, verpolte Bauteile, falsche Widerstandswerte, um ein Rastermaß versetzte Bauteile dürften nun alle behoben sein. Jetzt achten wir auf sensiblere Dinge wie: sich berührende Leiterbahnen durch unsaubere Lötstellen oder nicht komplett isolierende Unterbrecher.
Hat die Schaltung dieses Verfahren überstanden, kommt unser OPV-IC in die Fassung und die Schaltung wird angeschlossen.
An unserem Handregler wird der Bremskontakt (schwarzes Kabel) noch nicht angeschlossen! Das soll verhindern, daß der N-MOSFET durchsteuert.
Dann stellt man am Netzgerät die Versorgungsspannung auf 10V und die Strombegrenzung auf etwa 500mA, ich nehme mal den kleinsten Motor (NC1) als Last, da dürften nicht allzu große Schäden auftreten.
Potis sind alle zurückgedreht, die Transistoren sitzen auf Kühlblechen oder bereits an der Gehäusewand.
Beim Einschalten dürfte nun gar nichts passieren, Spannung: 10V, Strom: 0A. Falls Strom fließt (und nicht durch den Motor), also nichts dreht oder summt: sofort ausschalten und Kurzschluß suchen!
Jetzt misst man am besten erstmal die wichtigsten Potentiale gegen Masse: Versorgung des ICs an Pins 4 und 11, Anschlüsse der Transistoren.
Bei korrekter Polung kann man nun mal Gas geben und der Motor sollte sofort Reaktion zeigen.
Wir arbeiten momentan nur mit dem P-MOSFET, vorsichtshalber messen wir mal das Potential an Gate des N-MOSFET. Da OPV3 über D2 sperren muss, sollte das Potential gegen 0V gehen, auf alle Fälle muss es unter 4V, der VGS(TH) bleiben!
Wenn das der Fall ist, können wir auch den Bremskontakt anschließen, ohne Gefahr zu laufen, daß sich die beiden MOSFETS gegenseitig aufheizen.
Wärmeabfuhr
Prinzipiell kann unseren Transistoren nichts etwas anhaben. Voraussetzung ist aber immer, daß sie ausreichend gekühlt sind, das ist das absolut wichtigste.
Da unser Alugehäuse gleichzeitig als Kühlkörper dient, werden die MOSFETs mit einer 3mm-Schraube an die Gehäusewand geschraubt. Die MOSFETs haben beide den DRAIN-Anschluß auf dem Gehäuse liegen, die müssen zwar eh´ miteinander verbunden werden, allerdings soll unser Gehäuse nicht das Potential des Bahnstroms annehmen. Es wäre fatal, wenn jemand das Reglergehäuse auf die Bahnlitze stellen würde... (es ist zwar lackiert, aber man weiß ja nie...)
Daher geht man so vor: Wärmeleitpaste auf Gehäusewand auftragen, Silikon-Isolations-Wäremleitpad anbringen, Wärmeleitpaste auf Transistorgehäuse auftragen, mit Kunststoffschraube (isoliert) fest anschrauben, bzw. Schraube mit Isolationsring benutzen.
Somit sitzen die beiden Transistoren elektrisch isoliert aber wärmetechnisch leitend auf unserem Kühlgehäuse!
Kühler
Der Unterschied ist gravierend: Wurden die MOSFETS vorher bereits bei 4A Stromfluß recht heiß (mit kleinem Aufsteckkühlkörper), bleiben sie rückwandgekühlt auch bei 10A Dauerstrom gerade mal handwarm.
Eine besondere Strapaze stellt natürlich der "Stop And Go"-Betrieb dar. Schnelles Beschleunigen und kräftiges Abbremsen, immer wieder und wieder... fordert unserem P-MOSFET hohe Ströme ab.
Wir wissen ja noch: Beim Hochlaufen des Motors ist die Gegeninduktion noch klein, es wirkt fast nur der ohmsche Widerstand und der liegt je nach Motor bei 1...50Ω. Somit fließt für einen kurzen Moment I = 10V / 2Ω = 5A (beispielsweise bei meinem Testmotor), das will schon was heißen...
Verpolung
Sollte die Schaltung einmal anders angeschlossen werden, als von uns vorgesehen, (also verpolt werden) dann passiert unserem Regler eigentlich nichts.
Allerdings nur eigentlich. Unsere MOSFET-Transistoren haben eine "eingebaute", schnelle Diode entgegen der eigentlichen Wirkrichtung. Die gedachte Diode nennt sich technisch: "Source-Drain Forward Diode". Sie schützt den MOSFET gegen Verpolung, indem der falsche Strom direkt abgeleitet wird. Diese Diode gibt es aber nicht wirklich, (es sei denn, der Halbleiterhersteller hat eine solche zusätzlich im Gehäuse vorgesehen) sondern sie existiert rein durch die physikalische Anordnung der Metalloxidschichten.
Wird unser Regler verpolt, dann gibt es über diese "Diode" einen gewaltigen Kurzschluss, wobei die Sicherung des Bahntrafos durchbrennt. Das wäre die Schutzfunktion für unseren Regler.
Hat man aber z.B. statt eines Netzgerätes mit Strombegerenzung z.B. eine Batterie oder etwas ähnliches, dann würde das schwächste Glied im Stromkreis irgendwann als Sicherung herhalten und in Rauch aufgehen.
Das könnte die Zuleitung sein, die Bahnlitze, unsere MOSFETs, eine lockere Klemme, irgendwas eben.
Sind unsere MOSFETS ausreichend gekühlt, wird vermutlich eine Leitung durchschmelzen, bei 100A passiert das ganz bestimmt.
Man könnte jetzt natürlich im Regler eine "Sollbruchstelle" in Form einer Schmelzsicherung schaffen, dann würde man aber für alle Leitungen eine eigene benötigen, also insgesamt drei.
Eine Sicherung stellt wiederum einen Widerstand dar, wir wären ja wohl ziemlich bescheuert, wenn wir dadurch unseren teuer erkauften RDS(ON) verschlechtern würden.
Daher mein Tip: Immer erst mit dem Messgerät die Polung prüfen, bevor eingestöpselt wird, ganz einfach!
Ausprobieren!
Am besten schaut ihr euch das kurz selbst mal an, dann wird vielleicht auch die Funktion der Bremse etwas klarer?
Der Regler ist so jetzt mal zum Antesten bereit, natürlich noch nicht perfekt. Auch der Handregler ist quasi eine Studie, funktionstüchtig aber noch im Bastelstadium.
Stört euch bitte nicht an den Geräuschen des Motors, er hat eine Fliehkraft-Verstellung der Kohlen, daraus resultiert dieser merkwürdige "Knick" in der Hochlaufkennlinie.
Barnzih V2 from barnsi on Vimeo.