Modellbau Elektronik                  2 Kanal Schaltmodul

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Beschreibung
Diese Schaltung bietet die Möglichkeit, über nur einen Proportionskanal zwei Schaltfunktionen zu steuern ... ohne umständliche
Bastelei mit Servos und Mikroschaltern. Es können somit (z.B. bei Modellschiffen) vom Ufer aus Innenbeleuchtung, Scheinwerfer,
Sirene, Wasserpumpe und vieles mehr ein- und ausgeschaltet werden. Knüppelbewegung nach vorwärts schaltet Kanal 1 ein, nach rückwärts wird Kanal 2 geschaltet. In Mittelstellung sind beide Funktionen ausgeschaltet. Der Anschluss erfolgt an einem noch freien Ausgang des Empfängers anstelle eines Servos. Für Anlagen mit Positiv-Impuls.

Schaltungsbeschreibung
Vollproportional-Fernsteuerungen arbeiten nach folgendem Prinzip: Pro Kanal senden sie jeweils Impulse aus, die sich in rascher
Folge wiederholen. Je nach Stellung des zugehörigen Steuerknüppels ist der betreffende Impuls länger oder kürzer. Den Standard-Geräten mit positiven Impulsen liegt dabei folgender Zeitrahmen zugrunde: Pro Kanal wird alle 20 ms ein (positiver) Impuls übertragen, der in Knüppel-Neutralstellung genau 1,5 ms lang ist; in der Knüppel- Maximalstellung verlängert sich die Pulsdauer auf 2,0 ms, und in der Minimalstellung verkürzt sie sich auf 1,0 ms. Sind also bei einer 7-Kanal-Anlage alle Stellelernente auf Maximum, nehmen die sieben Impulse, die sich nahtlos aneinander reihen, 14 ms eines 20-ms-Zyklus’ ein; dann bleiben immer noch 6 ms Totzeit übrig, in der die Auswerteschaltung im Empfänger synchronisieren kann.
Schließlich muß sie ja ,,wissen”, welcher Impuls zu welchem Kanal gehört. Den Servos kommt dann die Aufgabe zu, die unterschiedlichen Impulslängen in entsprechende Drehwinkel umzusetzen. Soweit zur allgemeinen Funktion, in die sich selbstverständlich auch unser Zwei-Kanal-Schalter einfügen muss. Aufgabe unserer Elektronik ist es nun nicht, proportional zur
Impulslänge passende Drehwinkel eines Stellmotors zu erzeugen, sondern bei einer bestimmten Auslenkung des Knüppels
nach oben soll der eine Kanal schalten, und ab einer bestimmten Auslenkung nach unten wird der andere. Kanal aktiviert; in der
Knüppel-Neutralstellung sind beide Schalter aus. Es sind also zwei zeitlich veränderbare Schwellen vorzusehen, bei deren
über- bzw. Unterschreiten der angeschlossene Schalter kippt.
Unsere Schalter wurden vollelektronisch mit Leistungs-Transistoren realisiert; Relais bleiben in diesem Anwendungsfall
in der Schublade. Wie aber können wir nun zwei Impulslängen vergleichen und daraus ein geeignetes Schaltsignal ableiten? Der eine Impuls ist der vom Empfänger gelieferte, je nach Knüppelstellung mehr oder weniger lange (1,0...2,0 ms); der andere ist
das Referenzsignal einstellbarer Dauer, mit dem wir die Umschaltschwelle festlegen. Bevor sich jetzt vor Ihrem geistigen Auge Monoflops und aufwendige Vergleicher-Schaltungen auftürmen, werfen Sie einen Blick auf den Schaltplan.

.
 
R l = 1,5 k 
R2 = 1,5 k
R3 = 1 k
R4 =  l  k
Dl =ZPD3V3 3,3 Volt Zener-Diode
Cl  = 0,l µF = 100 nF Folien-Kondensator
C2 = 0,l uF =  l00 nF Folien-Kondensator
C3 = 4,7 µF oder 10 µF Tantal-Kondensator
C4 = 2,2 µF Elko
CS = 2,2 µF Elko
Pl  = 50k
P2 = 50 k
Tl  = BD 675, 677 oder 679 Darlington-Transistor .
T2 = BD 675, 677 oder 679 Darlington-Transistor
 
 


IC1 und IC 2 = CD 4001
Technische Daten:
Betriebsspannung ..... .:4.8 - 6 V=
Schaltschwelle ........ .:Pro Kanal getrennt einstellbar 
                              (von 1,0...1,5 ms bzw. 1,5...2,0 ms)
Schaltspannung ....... .:ca. 5 - 24 V=
Schaltleistung ......... .:max. 3 A, je Kanal (kurzzeitig)
Abmessungen . ...... .:55 x 35 mm
 
 
Um von Schwankungen der Versorgungsspannung UV unabhängig zu werden, betreiben wir die Schaltung an 3.3 V; diese Hilfsspannung wird mit der Z-Diode Dl stabilisiert, die über R5 gespeist und von C3 gestützt wird. Für das weitere Verständnis
genügt die Betrachtung eines Kanals, da der andere funktionell gleich aufgebaut ist. Durch die Belegung der Transistoren (Pin 10 oder Pin 11) wird jedoch eine Funktionsumkehr erreicht.
Nehmen wir uns also Kanal 1 mit ICl vor, bei dem sofort die beiden kreuzgekoppelten Gatter 3 und 4 ins Auge fallen: Typischer Fall von Flipflop, werden einige sagen, und zwar eins, das mit zwei Gattern aufgebaut ist. Prinzipiell stimmt das zwar, dennoch werden Sie gleich erkennen, dass dieses Flipflop nur ‘einen’stabilen Zustand hat (monostabil), in Wirklichkeit also ein Monoflop
ist. Und monostabil ist auch die mit den Gattern 1 und 2 aufgebaute Kippstufe, so dass wir es hier mit einer ganzen Ansammlung
von Monoflops zu tun haben! Wenn Sie diese scheinbar simple (aber sehr pfiffige!) Schaltung genau verstehen wollen, müssen Sie ganz konsequent ans Werk gehen. Von Nutzen ist dabei folgende Vorab-Überlegung, die zum Grundlagen-Wissen gehört: Ein Ausgang Q der verwendeten NOR-Gatter (Nicht-Oder-Gatter) geht bereits dann auf LOW, wenn nur einer der Eingänge HIGH ist; Q geht aber erst dann wieder auf HIGH, wenn beide Eingänge LOW sind.  ms.
Auslöser für alles Wirken sind die an ‘IMP’ ankommenden Empfänger-Impulse des betreffenden Fernsteuer-Kanals; wie bereits erwähnt, können die je nach Knüppel-Stellung 1,0...2,0 ms lang sein und sie wiederholen sich alle 20
Die positive Flanke jedes Impulses bringt die Ausgänge Q2 und Q3 auf LOW (vgl. Ende des vorigen Abschnitts). Dieser LOW-Pegel geht über den Kondensator an Gatter 1 (Inverter), das daraufhin an Ql HIGH Signal erzeugt; als Folge davon geht Q4 erbarmungslos auf LOW (vgl. Ende des vorigen Abschnitts).
Nun sind also beide kreuzgekoppelten Ausgange Q3 und Q4 gleichzeitig auf LOW, was sich für ein ‘richtiges’ Flipflop
naturgemäß gehört, dies ist aber nicht von bleibender Dauer, denn Ql geht genau dann zurück auf LOW, wenn sich der
Kondensator am Gatter-Eingang über das Poti wieder aufgeladen hat. Die Zeitkonstante.Cl/Pl (bzw. C2/P2) bestimmt also die Impulsdauer an Ql. Von den beiden z. Zt. noch auf LOW liegenden Ausgängen Q3 und Q4 geht einer wieder auf HIGH, und
zwar Q4, wenn der Ql-Impuls kürzer ist als IMP, und 43 kippt zurück auf HIGH, wenn der Ql-Impuls länger ist als die IMPDauer.
Wenn wir diese Betrachtung zu Ende führen, dann ergeben sich folgende Verhältnisse: In der Knüppel-Neutralstellung ist Ql im Kanal 1 länger als der 1,5-ms-Puls an IMP, und 44 bleibt ständig LOW. Erst mit zunehmender IMP-Dauer geht Q4 auf HIGH, allerdings
alle 20 ms kurzzeitig unterbrochen (für die Dauer der Ql- Impulse). Für Kanal 2 gilt, daß in der Neutralstellung Ql kürzer
ist als 1,5 ms, und Steuerausgang 43 ständig LOW bleibt. Erst mit abnehmender IMP-Dauer geht Q3 auf HIGH, wiederum alle 20 ms
kurzzeitig unterbrochen (für die Dauer der IMP-Pulse, nicht die der Ql-Pulse!).
Das an die Steuerausgänge Q4 (im Kanal 1) bzw. Q3 (im Kanal 2) angeschlossene RC-Glied macht aus einem gepulsten HIGH eine
fast glatte Vorspannung zur Ansteuerung des Schalttransistors.
Der schaltet dann ungepulst durch, ‘sofern die Knüppelstellung (und der jeweilige Poti-Abgleich) dies veranlassen.
Für die Schalttransistoren haben wir die npn-Darlington-Typen BD 675 ausgewählt. In dem unscheinbaren Gehäuse verbirgt sich
fast eine ganze Baugruppe, d.h. es sind darin zwei Transistoren, zwei Widerstände und eine Schutzdiode integriert. Die Stromverstärkung dieses Transistor-Gebildes liegt bei ungefähr 1000, und der zulässige Kollektorstrom beträgt 4 A bei einer zulässigen Sperrspannung von 45 V. Im Normalfall, d.h. beim Betrieb dieser Schaltung in einem Fernlenkmodell, werden diese Grenzwerte wohl kaum erreicht werden. Bei Dauer-Strömen über 1 A ist auf jeden Fall für ausreichende Kühlung der Transistoren zu sorgen!
Der Lastkreis mit der externen Spannung Ux ist von der Empfänger-Stromversorgung UV getrennt, um gegenseitige Beeinflussungen
zu vermeiden. Wenn es die zu schaltenden Lasten und der Akku zulassen, können Sie die Plusleitungen von Ux und
UV natürlich auch miteinander verbinden. Nachbau
Bei der vorliegenden Schaltung sind folgende Besonderheiten zu beachten: An der linken Schmalseite wird das Verbindungskabel
zum Empfänger-Ausgang angelötet; passend zur jeweiligen Fernsteueranlage werden im Fachhandel fertig konfektionierte
Kabel angeboten, d.h. an einem Ende ist der passende Stecker bzw. die passende Buchse bereits angebracht. Der Vollständigkeit
halber sei darauf hingewiesen, dass Sie sich den passenden Stecker auch selbst anbringen können; allerdings ist dazu eine
spezielle Crimpzange erforderlich.
 
 
1.8 Servo-AnschluBleitung
Nun wird das Empfängerkabel in die Platine eingelötet. Beachten Sie unbedingt die Polung Ihrer Anlage und des 2-Kanal- Schalters (+, -).
Hier wurde folgende Farbbelegung gewählt:
rot         -> plus +
schwarz -> minus -
gelb       -> Impuls JL
 
 
Inbetriebnahme 
Zum Funktionstest und Abgleich verbinden Sie +Ux und +Uv miteinander und löten - über je einen 470-Ohm-Vorwiderstand - zwei Leuchtdioden an die Schaltausgänge (bei Kanal 1 die Kathode oben, bei Kanal 2 die Kathode unten!). Für diese Verbindungen eignen sich bestens 1,3-mm-Steckschuhe. Drehen Sie dann den Schleifer von Pl auf Links- und den von P2 auf Rechtsanschlag.

Für den weiteren Test haben Sie zwei Möglichkeiten: Entweder bauen Sie Ihre komplette Fernsteueranlage auf und schließen die
Baugruppe an einen freien Empfänger-Ausgang an; oder Sie wählen den einfacheren Weg des Anschlusses an unseren ServoTester .Dessen Poti (bzw. der Steuerknüppel des Fernsteuer-Senders) bleiben in neutraler Mittelstellung. überwachen Sie beim ersten Einschalten die Stromaufnahme des Zwei-Kanal-Schalters; sie darf keinesfalls über 10 mA liegen, weil dann mit Sicherheit ein Fehler vorliegt! Ist alles im ,,grünen Bereich”, dann überschlagen Sie den Abschnitt ,,Fehlersuche” und machen weiter bei ,,Schaltpraxis”.


2.2 Schließen Sie nun den Baustein an einen noch freien Ausgang an den Empfänger an. Beachten Sie - wie bereits erwähnt - die Belegung der Anschlüsse. An das Kabel wird nun ein Stecker passend für Ihre Anlage angelötet. Den passenden Stecker erhalten Sie bei ihrem Fachhändler.
2.3 Nun schließen Sie je eine Glühlampe (6 V) zum Einstellen und zur Schaltkontrolle an die beiden Schaltausgänge an.
2.4 Schließen Sie an die entsprechenden Lötstifte die Schaltspannung, die zwischen 5 - 24 V betragen kann, polungsrichtig an. Beachten Sie dabei unbedingt die Polarität, da sonst Bauelemente zerstört werden.
2.5 Schalten Sie jetzt den Sender und Empfänger ein. Je nach Stellung der Trimmpotis wird die eine oder andere Lampe gleich leuchten. Als erstes bringen Sie den Trimmer des Steuerknüppels in Mittelstellung, nun sollte keine Lampe mehr leuchten. Ist dies nicht der Fall, so regeln Sie das entsprechende
Trimmpoti solange, bis die Lampe nicht mehr leuchtet. Nun bringen Sie den Steuerknüppel in die Lage, in der die erste Funktion schalten soll. Mit einem der Trimmpotis drehen Sie nun langsam soweit, bis die angeschlossene . Lampe leuchtet. Bringen Sie jetzt den Steuerknüppel wieder in Mittelstellung, die Lampe muss jetzt wieder ausgehen.
Auf gleiche Art und Weise verfahren Sie jetzt mit dem anderen Kanal. Nach beendetem Abgleich darf in Mittelstellung keine der beiden Kontroll-Lampen mehr leuchten. Zur Kontrolle betätigen Sie nun abwechselnd den Steuerknüppel nach vorne und, hinten, es muss jeweils eine der Lampen leuchten.
2.6 Ist bis hierher alles in Ordnung, so überspringen Sie die nachfolgende Fehler-Checkliste.
2.7 Sollten sich die beschriebenen Funktionen wider Erwarten nicht durchführen lassen oder sonst eine Fehlfunktion zu erkennen sein, so schalten Sie sofort die Betriebsspannung ab und prüfen die komplette Platine noch einmal nach folgender Checkliste.
 
  nach Bausatz, Platine und Schaltung von mir überarbeitet  
 

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© Harro Walsh