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Powerboard mit Optokoppler, elektronischer Schalter

Alfred Nader


Powerboard Version 1, 2 und 3; elektronische Schalter

Anlass für dieses Projekt war mein neues Modell - eine P38-Lightning - bei der ich 8 Empfängerkanäle und 13 Servoanschlüsse für verschiedene Funktionen benötige. Nach kurzer Umfrage in den Foren, ob man vier Servos ohne Probleme an einen Kanal anschließen kann, kam als Antwort, dass ab zwei Servos dringend ein Signalverstärker verwendet werden sollte. Da mir die kauflichen Varianten solcher Signalverstärker oder Power-Boxen sehr teuer erschienen, habe ich mich für den Selbstbau einer solchen Schaltung entschieden. Zuerst wurden mehrere Signalverstärker-Testschaltungen auf einem Steckbrett aufgebaut und die Signale mit dem Oszilloskop vermessen.


Aufbau auf Steckbrett


Eingangs- und Ausgangssignal Oszilloskop

Zuerst wollte ich die Schaltung mit zwei Transistoren und ein paar Widerständen realisieren, doch dann kam mir der Gedanke, als ersten Transistor einen Optokoppler zu verwenden. Wenn die Masse-Potentiale für Empfänger- und Servospannung auch noch aufgetrennt werden, ergibt sich eine galvanische Trennung zwischen Empfänger- und Servostromversorgung. Das sollte sich auf die Störanfälligkeit (durch lange Servoleitungen oder sonstige Einflüsse) nur positiv auswirken. Auf Ferritringe werde ich bei langen Servoleitungen (>0,5 m) dennoch nicht verzichten.

Die Decoderausgänge des Empfängers werden bei dieser Schaltung mit durchschnittlich 0,7 mA belastet. Ich habe mehrere Empfänger ausprobiert, es funktionierte mit allen ohne Probleme. Kommt ein Impuls vom Empfänger, schaltet der Optokoppler durch, der Basisanschluss des Transistors (BC856, PNP) wird nach Masse gezogen und schaltet ebenfalls durch. Dieser Transistor schaltet dann die +5,6 V Spannung zum Signalpin für die Servos. Ein 1nF-Kondensator soll hier noch eventuell auftretende Störspitzen von den Servos gegen Masse ableiten.

Als LED-Spannungsanzeige habe ich eine fertige Schaltung verwendet, wie sie im Modellfachhandel erhältlich ist. Diese überwacht bei meinem Powerboard den Empfängerakku. Bei meinem Empfänger, MZK-Octava mit vier 800 mAh NiMh-Akkus, habe ich eine Stromaufnahme von 45 mA gemessen. Es sind also theoretisch über 17 Stunden Betriebszeit möglich. Auf Grund der hohen Selbstentladung von NiMH-Akkus ist es trotzdem anzuraten, den Akku vor jedem Flugtag zu laden.


Powerboard Version 1


Bestückung Powerboard Version 1

Als Versorgung für die Servos sind fünf bis sechs Zellen NiCd/NiMh (fünf Zellen nur für 5 V Ausgangsspannung) oder ein 2S Lipo/LiIon Akku vorgesehen. Diese Spannung wird über mehrere parallel geschaltete 1,5 A Low-Drop-Spannungsregler L4940V5 mit GND-Diode auf 5,6 V geregelt. Um den Strom der Spannungsregler besser untereinander aufzuteilen, kommen je zwei 0,22 Ohm Widerstände an die Ausgangspins der Regler. Ein Spannungsregler reicht im Normalfall für zwei bis drei Servos. Will man eine Ausgangsspannung von nur 5 V, so muss die Diode überbrückt werden. Der maximale Strom von 7,5 A (fünf L4940V5 parallel) für die Servos müsste für die meisten Anwendungen ausreichen. Testweise habe ich die Schaltung kurzzeitig mit 9 A belastet, die Spannung sank dabei nicht unter 5 V ab. Die 7,5 A sind jedoch nicht als Dauerlast zu sehen, dazu müssten die Spannungsregler extra gekühlt werden. Bei modellflugtypischer Anwendung werden so hohe Servoströme kaum, und wenn, nur kurzzeitig auftreten.
Auf eine Servo-Doppelstromversorgung mit Schottky-Diode habe ich bei dieser Schaltung verzichtet. Ich verwende einen 2S LiIon Konion–Akku (US18650V–Zellen, 1600 mAh). Seit zwei Jahren habe ich solche Zellen in einem kleinen E-Segler als Antriebsakku im Einsatz (Strom ca. 10 A), und kann diese nur wärmstens empfehlen. Fast keine Selbstentladung, leicht, sehr robust und zuverlässig.

Auf mehrfachen Wunsch hin habe ich eine zweite und dritte Version des Powerboards entworfen, bei denen die Akkus nicht auf der Platine platziert werden. Version 3 ist für fünf Kanäle und nur drei Spannungsregler, also 4,5 A ausgelegt. Die Abmessungen der Prints konnten dadurch erheblich reduziert werden (8-K Version: 9 cm x 8 cm, 5-K Version: 7,8 cm x 5,5 cm).
Für Version 2 habe ich derzeit nur eine Platine geätzt, Version 3 habe ich bereits fertig aufgebaut, da ich diese für mein nächstes Modell, ein „Fieseler Storch“, verwenden will.


Bestückung Powerboard Version 2


Powerboard Version 3


Bestückung  Powerboard Version 3

Allgemeine Stückliste für die Powerboards:

3-5 Stk.           L4940V5  Low Drop Spannungsregler 5V/1.5A
6-10 Stk.         0,22R Widerstände (Bauform 0207)
1 Stk.              1N4007 Diode
1 Stk.              22uF/16V stehend
3 Stk.              1000uF/6,3V Elkos stehend
oder
5 Stk.              470uF/10V Elkos stehend
2 Stk.              100nF (SMD 1206)
2 Stk.              LED grün (3 od. 5mm)
2 Stk.              470R (SMD 1206)
2 Stk.              6pol. Buchsen (MPX)
jede Menge 3pol. Stiftleisten, je nach Bedarf

 
Optokoppler-Teil:

Bauteile pro Kanal:

1 Stk.              P121 SMD Optokoppler oder ähnliche (z.B. PC357, PC317, P181)
1 Stk.              BC856 SMD Transistor PNP
1 Stk.              470R (SMD 0805)
1 Stk.              470R (SMD 1206)
1 Stk.              4k7 (SMD 0805)
1 Stk.              100R (SMD 0805)
1 Stk.              1nF (SMD 1206)

Außerdem habe ich als Option ein Layout für einen elektronischen Schalter gezeichnet.
Es wird ein N-Kanal Mosfet IRLR7843 (Rds 4mr bei 4,5 V Gatespannung und Ids12A) in die Minus-Versorgungsleitung geschaltet. Der Gate-Anschluss wird mit zwei (doppelte Sicherheit) 10k–Widerständen auf + Versorgung gelegt.

Der FET schaltet bei dieser Beschaltung voll durch. Zum Ausschalten wird mit einem externen mechanischen Schalter einfach der Gate– mit dem Source-Anschluss verbunden (Mosfet sperrt). Der mechanische Schalter kann irgendwo am Modell angebracht werden. Kabelquerschnitt und Länge spielen hier keine Rolle. Bei Drahtbruch wäre dann also die Servo- oder Empfängerstromversorgung eingeschaltet. In ausgeschaltetem Zustand fließt ein Strom von ca. 1 mA über die Gate-Widerstände gegen Masse ab. Darum sollte bei längerer Pause immer der Akku vom elektronischen Schalter getrennt werden, damit er nicht völlig entladen wird. Ein 1000 mAh–Akku wäre bei angestecktem Schalter nach etwa 1000 Stunden oder 41 Tagen leer.


Elektronischer Schalter


Bestückung elektronischer Schalter

Bauteile elektronischer Schalter:

1 Stk.              IRLR7843 N-Kanal LL-FET (3,3mr) SMD D-PAK (z.B. CONRAD Nr. 164398)
2 Stk.              10k (SMD 1206)
1 Stk.              470R (SMD 1206)
1 Stk.              LED grün (SMD 1206)
1 Stk.              2pol. Stiftleiste
1 Stk.              6pol. Stecker (MPX)
1 Stk.              6pol. Buchse (MPX)
1 Stk.              mechanischer Schalter + Kabel und 2pol Buchse

Bei den oben beschriebenen Powerboard-Versionen würde man zwei elektronische Schalter benötigen, da zwei getrennte Versorgungen vorhanden sind. Man könnte diese dann mit nur einem mechanischen Schalter mit zwei Schließer-Kontakten betätigen.
Ein einziger mechanischer Schalter steuert dann zwei elektronische Schalter.

Aus verständlichen Gründen kann ich für eventuell auftretende Schäden durch den Betrieb dieser Schaltungen keinerlei Haftung übernehmen.

Viel Erfolg beim Nachbau!
 

Downloads für Platinen:

Die Layouts wurden mit "Sprint-Layout 4.0" entworfen.

Layout elektron. Schalter.lay

Layout Powerboard Version 1.lay

Layout Powerboard Version 2.lay

Layout Powerboard Version 3.lay

 

 

Stand: 03.06.2010