July 22nd, 2017

Jugend-Forscht Projekt 20043

Da ich meine Hauptdomain nun auch mit dem Blog verlinkt habe und hier alles was mit Elektronik zu tun hat beschrieben wird, möchte ich nun nochmal mein Projekt von 2004 vorstellen. Es geht um ein Roboter, gebaut aus Aluminiumprofilen mit diversen Modellbaukomponenten. Bestückt war er mit einer C-Control 2 (deswegen CC-Robotics) als Herz. Alle anderen Schaltungen sind selbst entwickelt und hergestellt!

An dem Projekt haben mein Kumpel Tom und ich gearbeitet um damit am Wettbewerb “Jugend Forscht” teilzunehmen. Des weiteren habe ich damit meine BLL (besondere lern leistung) für mein Abitur gemacht.

Das Fahrzeug wurde so entwickelt, dass es mit Hilfe von Ultraschallsensoren jedem Hinderniss ausweicht und mit zwei Programmen laufen kann. Die Programme werden per Codierschalter ausgewählt: Fahren und Hindernissen ausweichen (1), In eine Parklücke längs einparken (2).

Ein demonstratives Video gibt es natürlich auch: c-robotics-02wm.wmv

Um den Beitrag nicht Blogfüllend zu gestalten, hier das endgültige Script: lk-info-v-10.pdf

Die Erfolge dieses Projekts sehen wie folgt aus:

  • Gewinner des Regionalwettbewerbes Berlin-Süd
  • Dotierung mit 125€ vom VDE als Sonderpreis
  • 13 Punkte für die BLL

Hier geht es zu den Urkunden, allen Bildern und Impressionen des Landeswettberwerbes

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Spannungsanalyse mal anders0

Beim stöbern im Internet habe ich neulich etwas besonderes gefunden. Jemand hat eine Sounddatei programmiert, die auf einem Oszilloskop ein nahezu reales Video wiedergibt.

Sieht echt cool aus: Link zu YouTube

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Spannungswächter für den Modellbau4

Oft ist es im Modellbau unerlässlich genau zu wissen, wenn der Akku des Empfängers leer ist. Besonders wichtig ist das bei Flugzeugen und bei Modellbooten. Die hier beschriebene Schaltung ist aus einer Modellbauzeitschrift für Boote nachgebaut. Der Spannungswächter bietet deshalb zwei wichtige features:

  • Erkennung eines nachlassenden Akkus
  • Erkennung von Wasser im Boot

spannungswaechter.GIF spannungswaechter.gif

Die Schaltung schaltet T1 durch sobald der Akku die Schaltschwelle erreicht oder die Kontakte W1 und W2 geschlossen werden. Damit kann man bei entsprechner Montage von zwei blanken Drähten Wassereinbruch des Schiffs oder das baldige Ende des Empfängerakkus frühzeitig erkennen, was größere Schäden vermeiden soll.

Um die Schaltschwelle des Akkus zu bestimmen, sollte man ein paar Messreihen durchführen um zu erkennen ab welcher Spannung die Kapazität rapide abnimmt. Die heutzutage eingesetzten NiMH Akkus bieten ja den Vorteil, dass sie die Spannung bis kurz vor dem Ende nahezu konstant halten. Für die frühzeitige Erkennung ist das allerdings eher ein Nachteil. Daher sollte man den eingesetzten Akku selbst einmal messen. Entsprechend der Messung kann man dann den Spindeltrimmer P1 auf die Schaltspannung einstellen.

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Varistor0

Der Varistor (VDR) ist ein Widerstand der sein Wert spannungsabhängig ändert. Das Wort Varistor kommt von variable resistor, die Abkürzung VDR bedeutet Voltage Dependent Resistor (engl.).

Der Widerstand des Varistors ist unterhalb der Nennspannung recht hoch und wird bei Erreichen dieser recht plötzlich, vom Material abhängig, kleiner. Die zwei bekanntesten Werkstoffe für Varistoren sind Zinkoxid und Silizium-Karbid. Die Kennlinien sind entsprechend unterschiedlich.

Der Varistor wird meist als Scheibenvaristor eingesetzt. Häufig kommt er auch als SMD-Variante oder für Schaltschränke mit Schraubkontakten vor.

Das wichtigste Einsatzgebiet ist der Überspannungsschutz von empfindlichen elektronischen Schaltungen. Wenn man bei kleinen Energien einen schnelleres Schaltelement braucht, kann man auch eine Suppressordiode einsetzen. Sie haben die gleiche Funktion, sind aber nur für kleine Energien geeignet und altern dafür nicht.

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Triac4

Ein Triac (Triode Alternating Current Switch) ist eine antiparallelschaltung von zwei Thyristoren. In einigen Quellen findet man ihn auch als Symistor oder Zweirichtungsthyristortriode.

Der Nachteil eines einzelnen Thyristors, dass man ihn nur in den positiven Halbwellen der Wechselspannung nutzen kann wird mit diesem Bauteil beseitigt. Ähnlich wie der Diac ist der Triac zum Schalten von Wechselströmen geeignet. Dazu wurden nicht nur zwei Thyristoren antiparallel geschaltet, sondern zusätzlich um den Schaltungsaufwand klein zu halten, weitere Zündthyristorstrecken eingebaut. Dadurch kann er mit einem positiven und negativen Steuerimpuls am Gate gekippt werden. Auch der Triac hat zwei Anoden (A1 und A2), da keine Polarität bestimmt werden kann.

triac_schzei.png

Triacs erzeugen durch das verformen von Signalen Oberwellen, die teilweise den Rundfunk stören können. Deshalb müssen Triac-Schaltungen immer entstört werden. Das kann mit Kondensatoren und/oder Drosseln geschehen.

Anwendung finden Triacs in:

  • Lichtdimmer
  • Motorsteuerungen
  • leistungslose Steuerung von Wechselstromleistungen
  • Drehzahlsteuerung

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Diac3

Ein Diac ist eine spezielle Diode, die häufig zum Ansteuern von Triacs oder als kontaktlose Schalter für kleine Ströme verwendet wird. Der Begriff kommt aus dem Englischen: Diode for Alternating Current (Wechselstromdiode). Oft wird sie auch als bidirektionaler Schalter bezeichnet.

Es ist eine Diode, die das Schalten von Wechselströmen ermöglicht. Im spannungslosen Zustand ist die hochohmig und sperrt. Wenn nun eine bestimmte Schwellspannung erreicht wird, übersteigt man die Durchbruchspannung und sie leitet. Diese Art der Zündung gibt es auch bei Thyristoren (Überkopfzündung), dort ist sie allerdings unzulässig.

Diese Diode gibt es in mehreren Varianten:

  • p-n-p: Dreischichtdiode
  • p-n-p-n: Vierschichtdiode
  • p-n-p-n-p: Fünfschichtdiode

kennlinie_diac.jpg

Der Aufbau ähnelt sehr einem antiparallel geschaltetem Thyristor, dem Triac, jedoch hat der Diac keinen Steueranschluss. Die Anschlüsse bezeichnet man als Anode1 und Anode2, da keine Polarität gegeben werden kann.

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local meeting in Hannover0

Heute hat das XPlore Team LEON am local meeting der Phoenix Contact GmbH in Hannover teilgenommen. Gastgeber war E.ON, der ebenfalls ein Projekt erarbeitet.

An der Tagesordnung standen wenige, aber wichtige Punkte: Zunächst ein längerer Vortrag des örtlichen Kundenbetreuers F.Battermann, der in diesem die Produktpalette von Phoenix Contact vorgestellt hat. Dadurch konnten die Teams in ihrer Wahl der Komponenten bestätigt werden, Fragen dazu stellen oder durch bisher unbekannte Produkte nocheinmal inspiriert werden. Danach spendierte uns der Gastgeber ein leckeres Mittagessen. Anschließend stellten die Teams ihre Projekte einmal vor und berichteten über den aktuellen Fortschritt.

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Der Thyristor3

Einen Thyristor kann man sich im Prinzip wie eine steuerbare Diode vorstellen. Eine Diode mit einem dritten Anschluss also, mit dem man sie “zünden” kann. Entstanden ist der Begriff aus Thyratron und Transistor.
Die zwei wichtigsten Schaltbilder und das Ersatzschaltbild sei hier einmal dargestellt:

thyri.png thyristor.png ersatz_thyri.png

Zur Funktionsweise des Thyristors:

Im Gegensatz zur Diode hat der Thyristor einen Anschluss mehr, den Gate-Anschluss. Im Inneren besteht er aus vier Schichten und drei pn-Übergängen (pnpn).

In Sperrrichtung sperrt der Thyristor wie eine normale Diode, aber in Durchlassrichtung ist das Verhalten etwas verändert. Zunächst sperrt der Thyristor auch hier, solange man ihn noch nicht “gezündet” hat. Um ihn nun leitfähig zu machen gibt es einige Methoden der Zündung. Voraussetzung ist allerdings eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode. Im Normalbetrieb steuert man das Durchlassverhalten durch Anlegen einer Steuerspannung an den Gate-Anschluss. Durch diese stellt sich dann ein Steuerstrom ein. Dadurch ändern sich die Gegebenheiten der Schichten im Inneren des Thyristors und er wird leitfähig

Eine spezielle Art, den Fotothyristor, kann man durch Licht zünden. Unzulässige Methoden der Zündung sind Überschreiten der Nullkippspannung, Überschreiten der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit oder eine Temperaturerhöhung.

Um den Thyristor nun wieder in den sperrenden Zustand zu versetzen gibt es zwei Möglichkeiten: Der Haltestrom zwischen Anode und Kathode kann unterschritten werden, oder man erzeugt einen kurzzeitigen negativen Stromimpuls am Gate, in Höhe des Laststroms.

Hier einmal die wichtigsten Arten des Thyristors:

  • GTO-Thyristor: Kann an dem Steuereingang gezündet und gelöscht werden.
  • Thyristortetrode: Sie besitzt an der zweiten und dritten Schicht eine Elektrode und kann dadurch gezündet und gelöscht werden.
  • Fotothyristor: Kann durch Licht gezündet werden.
  • Diac: Wechselstromdiode mit Schaltschwelle
  • Triac: Zusammengeschaltete Thyristoren.

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Solarzellen1

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Hier mal die ersten Bilder der Solarzellen für unser Jugend Forscht Projekt. Die Solarzellen sind von Conrad und eignen sich besonders für Kleinelektroniken. Es ist ein Solarmodul für 12V Akkus und besitzt einen Stapelzellenaufbau der ideal für das Tageslichtspektrum und dauerhaft hohe Leistung ausgerichtet ist. Die Solarzellen sind hoch lichtempfindlich und sind auf einem stabilen rahmenlosen Glas aufgebracht. Unsere Solarmodule bestehen aus in Serie geschalteten Dünnschichtsolarzellen, die Streifenförmig nebeneinander liegen. Der elektrische Anschluss erfolgt über Lötpunkte. Unsere Zellen haben eine Netzspannung von 18V und einen Nennstrom von 0,038A. Die Maße sind (L x B x H) 122 x 115 x 3mm.

Funktionsweise von Solarzellen: Die im Licht (in der Regel Sonnenlicht) enthaltene Strahlungsenergie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt. Unser Fall: Unsere Solarzellen bestehen aus amorphen Silizium und sind dünnschichtig. Amorphes Silizium hat einen Modulwirkungsgrad zwischen 5 und 7%. Durch die hier verwendete Stapeltechnik durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen kann der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.

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JuFo wir kommen4

Ein neues Projekt ist geschaffen und damit haben wir uns gleich mal bei Jugend Forscht 2008 angemeldet. Zunächst bestand die Idee ein ferngesteuertes Auto energiesparend zu machen und das mithilfe von Solarzellen. Das Projekt “LET”- low energy truck - ist geboren. Inzwischen hat sich die Idee so weiterentwickelt, das wir einen 90cm langen Truck ausgesucht haben, auf den wir 5 Solarzellen basteln wollen. Die Elektronik kommt ins Innere des Hängers. Außen wird ein LCD-Display angebracht, das durch einen Mikrocontroller gesteuert wird. Die bereits vorhandene Elektronik wird um einen Akku erweitert, der die Solarenergie speichert. Außerdem wird die Elektronik von uns umgebaut, sodass auch diese noch stromsparender ist. Diese Energieersparnis wird auf dem Display angezeigt. Da wir es jedoch nicht selber finanzieren wollten beschlossen wir an diesem Wettbewerb teilzunehmen und den Föderverein meiner Schule um Unterstützung zu bitten. Dieser lässt sich jedoch Zeit, also haben wir die Solarzellen und den Truck bereits bestellt. Da Conrad sehr schnell liefert liegen die Solarzellen bereits auf dem Schreibtisch, während der Truck noch sehnsüchtig auf sich warten lässt. Auch das LCD-Display ist schon vorhanden und ich übe fleißig das programmieren des Mikrocontrollers, da dies mein Debütprojekt in diesem Bereich ist. Damit sind die ersten Schritte auf dem Weg zum Wettbewerb gemeistert.

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