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Failsafe - Ein Thema und eine Schaltung für Flugzeug Modelle

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Alle Bauanleitungen sind einheitlich aufgebaut:
1. Kurze Schaltungsbeschreibungen
2. Hinweise auf Besonderheiten der jeweiligen Schaltung
3. Bestückungsplan und Bauteile Liste
4. Informationen oder Artikel über das verwendete IC
5. Link zum Datenblatt des IC´s
a )Wer nicht mit der Herstellung einer Platine vertraut ist kann dies ausführlich im Grundlagenbeitrag nachlesen.
b) Ebenfalls im Grundlagenbeitrag ist ausführlich erklärt wie man richtig die Platinen lötet.
c) Im Grundlagenbeitrag sind ausführliche Hinweise zum Aufbau einer Platine zusammengefasst.
.
  Ein interessanter und wichtiger Bausatz für Modellbauer. Falls die Steuersignale Ihres Senders wegen eines Defektes oder durch zu schwache Sendebatterien einmal ausfallen sollten, können Sie damit vorgegebene Steuerfunktionen ausführen und die Servo´s in eine vorwählbare Sicherheitsposition fahren. Die Schaltung wird als Zusatz zwischen Empfänger und Servo geschaltet.

Schaltungsbeschreibung
Es gibt wenige Schaltungen, die mit so geringem Aufwand eine derart nachhaltige Wirkung erzielen wie die vorliegende. Sie kommt mit nur einem IC aus, das sich aufgrund der CMOSTechnologie auch noch als höchst sparsam erweist: 50 µA an
Versorgungsstrom beansprucht es bloß und wirft dabei doch ständig ein gestrenges Auge auf den ihm anvertrauten Servo.
Um den Sinn und die Funktion dieser Überwachungsschaltung zu verstehen, müssen wir uns kurz mit dem Prinzip der Proportional- Fernsteuerungen vertraut machen. Wir betrachten die Geräte mit positiven Impulsen, da sie mit Abstand am weitesten verbreitet sind.
Dabei wird für jeden Kanal ein Impuls ganz bestimmter Dauer erzeugt. In der Knüppel-Neutralstellung ist er 1,5 ms lang, bei voller Auslenkung verlängert er sich auf 2,0 ms, und bei minimalem Ausschlag geht er auf 1,0 ms zurück.
In zyklischer Aufeinanderfolge wiederholen sich die Pulse für alle zu übertragenden Kanäle, was sich mit einer festen Wiederholrate von 20 ms abspielt (unabhängig vom 1...2 ms langen Steuerpuls). Sind in einem Zyklus alle Kanäle abgeklappert, folgt
bis zum nächsten 20-ms-Zyklus eine Pause von einigen Millisekunden, um den Empfänger mit dem Sender zu synchronisieren.
Die im Servo eingebaute Elektronik setzt die Impulslängen in ein Steuersignal um, das den angeschlossenen Motor verstellt. Der
verharrt so lange in der jeweils erreichten Position, bis sich die Impulslängen seines Kanals wieder ändern.
Die Tragik bei der Sache ist nun die, dass der Servo auch dann in seiner Lage verharrt, wenn plötzlich gar keine Impulse mehr für
ihn eintreffen. Und das kann schneller passieren, als es einem Modellbauer lieb ist - schließlich braucht dazu der Funkkontakt
nur abzureißen oder gestört zu werden!
Nach dem Gesetz der größten Gemeinheit passiert so etwas vorzugsweise dann, wenn man gerade vorher Vollgas gegeben hat
oder sich das Flugzeug in rasantem Steigflug befindet. Ohne Auto-Piloten kann man seinem entschwindenen Modell dann die
letzten sehnsuchtsvollen Blicke hinterherschicken!
Wo wir nun die Funktion kennen, die wir schützen wollen (Ausfall des Funkkontaktes), ist der passende Schaltungsentwurf
zielstrebig umgesetzt. So ein Auto-Pilot muss doch zwei Dinge tun:
Erstens soll er die ordnungsgemäß empfangenen Impulse ungestört zum zugehörigen Servo hindurchlassen. Und zweitens muss er erkennen, wenn diese Impulse aufgrund einer Störung einmal ausbleiben; in diesem Fall muss er nämlich selbst Steuerpulse
erzeugen, um seinen Servo in eine „unschädliche“, vorgewählte Position zu bringen.
Normalerweise ist so ein Aufspüren ausbleibender Impulse Sache von retriggerbaren Monoflops: Solange der richtige Puls vorhanden
ist, werden sie ständig neu getriggert und halten ihren Ausgang auf LOW. Bleibt der Trigger aus, schlagen sie durch Umkippen ihres Ausgangs Alarm.
An so einen Auto-Piloten werden aber noch mehr Anforderungen gestellt als nur ein guter Wachhund zu sein: Er darf nur
minimalen Platz beanspruchen und muss sich mit möglichst wenig Gewicht und Strom begnügen. Und daher ist unsere Sparschaltung so ausgefallen, wie es der Schaltplan zeigt:
Vier CMOS-Gatter eines CD 4011 tun hier ihren Dienst, unterstützt von den Zeitkonstanten, die drei RC-Glieder liefern. Die drei RC-Glieder wirken an den markierten Punkten A, B und C: R2/C2 gehören zu A (Zeitkonstante t ca. 100 ms), R3/C3 zu B (t ~
30 ms), und für C sind (P1+R4)/C4 maßgebend (einstellbare Zeitkonstante von 0,8...3 ms).
Die am Eingang ‘Impuls’ ankommenden Signale stammen vom Empfänger-Ausgang; sie werden vom Gatter 1 invertiert, und Diode D1 „zieht“ den Punkt A bei jedem Impuls nach Masse (entlädt also den Elko C2). Die mit R5/R1 eingestellte „Vorspannung“ sorgt dafür, dass das Gatter auch noch sehr magere Impulse verarbeiten kann (solche mit geringer Amplitude).
Wenn Gatter 1 eingangsseitig oft genug angestoßen wird (alle 20 ms ist normal), hat Punkt A keine Zeit, sich sehr weit über Masse-Potential zu erheben (die Zeitkonstante ist zu groß!). Sind an den Gattern 3 bzw. 4 die Eingänge 9 bzw. 13 auf LOW 
(= A Potential), so braucht man kein Prophet zu sein, um deren Ausgangspotential vorherzusagen:
An den Gatter-Ausgängen 10 bzw. 11 herrscht HIGH-Pegel; denn ein NAND-Ausgang kann nur dann auf LOW gehen, wenn alle
seine Eingänge HIGH sind. Und die Eingänge 9&13 sind das im Normalfall eben nicht.
Der hohe Pegel vom Ausgang 10 gibt Gatter Nr. 2 frei; das bedeutet, dass die LOW-Impulse von dessen Eingang 6 (invertiert)
passieren dürfen und am Ausgang ‘Out’, als positive Pulse anzutreffen sind. Das ist der Normalfall für den dort angeschlossenen
Servo, der in diesem Fall gar nichts von dem Auto-Piloten merkt.
Bei Störungen der Sender/Empfänger-Strecke geht der Gatter- Ausgang 3 nicht andauernd wieder auf LOW; Elko C2 kann nun über R2 Strom pumpen, und Punkt A erreicht Plus-Potential. Darauf haben die Ausgänge der Gatter 3 und 4 geradezu gewartet: Über die Widerstände R3 bzw. (P1+R4) ist einer ihrer Eingänge vorher schon auf Plus. Und nun folgt der jeweils andere, dem das
(wegen D1) bisher nicht vergönnt war! Einer der Ausgänge 10 bzw. 11 gewinnt (egal welcher), d.h. er geht als erster von beiden
auf LOW; nehmen wir einmal an, es ist Pin 10. Dann tritt diese negative Flanke auch an Punkt C auf; über Poti P1 und R4 wird der Kondensator C4 aber zügig wieder aufgeladen (je nach Poti-Stellung innerhalb von 0,8...3 ms). Sobald die Ladekurve ca. 50% von Uv erreicht hat, schaltet der Ausgang von Gatter 4 auf LOW. Nun wird Punkt B auf LOW gezogen, aber R3 sorgt schnell für
Wieder-Aufladung. Bei Erreichen der Schaltschwelle von Gatter- Eingang 8 (bei ca. 50% von Uv) geht Pin 10 wieder auf LOW, und
das eben beschriebene Spiel wiederholt sich auf’s Neue.
Fassen wir zusammen: Am Gatter 2 ist stets nur ein Eingang auf HIGH, und der andere bekommt Pulse angeboten. Bei ungestörtem
Empfang (Pulse vom Ausgang 3) liegt Pin 5 hoch; bleiben die Signale am Eingang ‘Impuls’ aus, geht Pin 6 auf HIGH.
Am Ausgang ‘Out’ sieht der angeschlossene Servo also immer positive Impulse: Ist alles in Ordnung, stammen sie vom
Empfänger. Bei Störungen sorgen die Gatter 3&4 für Ersatz: R3/C3 bestimmen die Wiederholrate der Steuer-Pulse (ca. alle 25...30 ms).
Poti P1 plus R4 und C4 simulieren die Steuer-Pulse für einen ungefährlichen Servo-Ausschlag (den Sie voreingestellt haben);
aufgrund der gewählten Dimensionierung lässt sich der Variationsbereich von 1,0...2,0 ms bequem überstreichen.
Beim Nachbau werfen Sie bitte stets einen Blick auf den Bestückungsplan. Bei den Elkos (Tantalperlen) ist die Plus-
Markierung zu beachten, und bei der Diode der Kathoden-Ring (schwarzer Ring)

Die Fassung und das IC müssen mit ihrer Markierungskerbe in Richtung Empfänger-Anschluss zeigen. Der Anschluss am Empfänger-
Ausgang erfolgt am besten über ein passendes Kabel, das für die gängigen Fernsteuerungen fertig konfektioniert angeboten
wird.
Achtung! Ausgangsseitig weicht die Anschlussbelegung von der am Eingang ab; wenn Sie hier kein Kabel anlöten wollen, sondern
(wegen des einfacheren Anschlusses) eine dreipolige Stiftleiste, müssen Sie über dem Plus-Pin eine zusätzliche Bohrung
anbringen, die per Drahtbrücke an Masse führt.
Zur Inbetriebnahme müssen Sie den per Auto-Piloten gesicherten Servo in Ihr Modell einbauen und ihn (über den Auto-
Piloten) an den Empfänger anschließen. Den Empfänger müssen Sie einschalten, der Sender aber bleibt zunächst noch stumm!
Stellen Sie das Poti P1 nun so ein, dass der Servo in eine „Rettungs-Position“ fährt. Beim Flieger soll er beispielsweise
einen gesitteten Gleitflug einleiten, und beim Boot etwa eine Kurvenfahrt (aus der können Sie Ihr Modell nach Wieder-
Herstellung des Funkkontaktes wieder heraus manöverieren).
Schalten Sie dann den Sender ein und testen Sie, ob der betreffende Kanal wie gewohnt per Steuerknüppel zu handhaben ist.
Nach einem (simulierten) Sender-Ausfall per Abschalt-Knopf muß der Servo wieder in seine Notfall-Stellung fahren.
 
 
Teileliste:

R1 = 27 k rot, violett, orange
R2 = 220 k rot, rot, gelb
R3 = 150 k braun, grün, gelb
R4 = 18 k braun, grau, orange
R5 = 47 k gelb, violett, orange
C1 = 0,68 µF oder 1 µF Tantal-Kondensator
C2 = 0,47 µF oder 0,68 µF Tantal-Kondensator
C3 = 0,22 µF = 220 nF Folien-Kondensator
C4 = 0,047 µF = 47 nF Keramik-Kondensator
P1 = 50 k
IC1 = CD 4011, HCF 4011, MC 14011 Vierfach-NAND-Gatter
 
 
Betriebsspannung . . : 4 - 6 V=
Stromaufnahme . . . . : ca. 0,05 mA
Abmessungen . . . . . . : 45 x 30 mm
 
 
 
 
nach Bausatz, Platine und Schaltung von mir überarbeitet
 
 

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© Harro Walsh