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                   Glühkerzenregleung
für Benzinmodellmotoren  -   nicht nur für Flugzeuge...

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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.
.
  Dieser Bausatz mit einer MOSFET-Endstufe dient speziell zur Regelung des Glühkerzenstroms. Der Anschluss erfolgt an der Autobatterie, so dass das zusätzliche Mitführen eines 2-V-Akkus entfällt. Die Ausgangsspannung ist stufenlos von 1,2 bis 2,5 V einstellbar und eignet sich daher für alle im Modellbau eingesetzten Glühkerzen. Mit dem mitgelieferten Potentiometer (extern an Startbox, Gehäuse usw. anzubringen) lässt sich der Glühkerzenstrom optimal an die jeweils verwendete Glühkerze anpassen.
Durch Verwendung eines MOSFET-Schaltreglers (Impulsbreitensteuerung) wird sehr wenig Leistung „verbraten“.
Schaltungsbeschreibung
Obwohl sich die Verbrennungsmotoren akustisch recht nachhaltig bemerkbar machen, ist ihre Beliebtheit bei Funktionsmodellen aller Art ungebrochen. Wenn man in diesem Zusammenhang von „Modellmotoren“ spricht, dann handelt es sich dabei nicht um die maßstabsgetreue Nachbildung großer Motoren; vielmehr hat diese Gattung eine eigenständige Entwicklung durchgemacht, die die spezifischen Eigenheiten bei der Miniaturisierung berücksichtigen musste.
Es ist auch nicht richtig, alle „Verbrenner“ über einen Kamm zu scheren und durchweg von Modelldieselmotoren zu sprechen; denn man muss diese ganz klar von der anderen Gattung der Glühzünder auseinanderhalten:
Beim Dieselmotor erfolgt durch die hohe Verdichtung und Erwärmung eine explosionsartige Selbstzündung des Kraftstoff / Luft-Gemischs.
Wenn die Verbrennung im Motor aber mit ungesteuerter Zündung abläuft und durch eine glühende Wendel (die sogenannte „Glühkerze“) ausgelöst wird, dann handelt es sich um Glühzündermotoren. Sobald der Verbrennungsvorgang einmal in Gang gesetzt wurde, glüht die Wendel durch die hohen Temperaturen weiter. Das Problem bei diesen Motoren besteht darin, das „Vorglühen“ herbeizuführen und den Verbrennungskreislauf auszulösen.
Zwar sind hierfür spezielle Akkus im Handel, aber dann müsste der Modellbauer noch eine weitere Stromquelle mitnehmen und
stets aufgeladen bereithalten; die Glühkerzen werden nämlich an einer Spannung von 1,2…1,5 V betrieben. Der Sinn dieser Glühkerzenregelung besteht darin, das Vorheizen vom 12-VAntriebsakku oder von der Autobatterie zu ermöglichen.
Obwohl es sich hierbei um eine klassische Pulsbreitensteuerung (PWM) handelt, behalten wir den in Modellbauer-Kreisen eingeführten
(und an sich falschen) Begriff der Regelung bei.
Für die verschiedenen Belange gibt es die unterschiedlichsten Bauformen von Glühkerzen („heiße“ und „kalte“, aber einheitliches 1/4-Zoll-Gewinde). Unabhängig davon befindet sich im Inneren der Kerze eine Wendel aus Nickel- bzw. Nickel/Wolfram-Draht; spezielle Rennkerzen verwenden Wendel aus Platin bzw. Platin-Iridium. Diese Wendel muss in der Anlassphase zur Rotglut gebracht werden, um den Verbrennungsvorgang auszulösen.
Beim Überheizen besteht aber die Gefahr des Durchbrennens; das bedeutet für die Kerze das Todesurteil, weil die Wendel dann unheilbar zerstört wird. Die Schaltung muss daher so ausgelegt werden, dass dieser Fall zuverlässig vermieden wird. Das ist deshalb eine kitzelige Angelegenheit, weil mit 12 V gearbeitet wird; würde diese hohe Spannung direkt an die Kerze gelangen, dann wäre die Wendel innerhalb von Sekundenbruchteilen dahin… Zur Pulsbreitensteuerung setzen wir einen Timer NE 555 ein, der hier im astabilen Betrieb arbeitet. Maßgebend dafür ist die externe Beschaltung der Anschlüsse 2, 6 und 7. Normalerweise sind in dieser Betriebsart die Pins 2&6 miteinander verbunden; das passiert hier nicht, um am Ausgang sehr steilflankige und kurze Impulse reproduzierbarer Dauer zu bekommen. Schließlich
hängt von ihnen das Leben der Glühkerze ab, und die schlägt immer mit ein paar Mark zu Buche! Vom Ausgang (Pin 3) wird über das RC-Gied R4/C6 eine Rückkopplung auf den Steuereingang 2 hergestellt. Für die positive Flanke wird der Widerstand mit D1
überbrückt, während der abfallende Ast von der Zeitkonstanten R4/C6 bestimmt wird.
Durch diese Rückkopplung bleibt die Pausendauer zwischen zwei Ausgangsimpulsen mit ca. 5 ms nahezu konstant, während die
HIGH-Dauer des Ausgangssignals vom RC-Glied P1+R1/C3 bestimmt wird; je nach Poti-Stellung ist ein Impuls 5…500 µs
lang. Damit erreicht die Einschaltdauer des pulsweitenmodulierten Rechtecks maximal 10% (0,5 ms zu 5 ms). Vorausgesetzt, die Wiederholrate ist schnell genug, wirkt sich diese Art der Ansteuerung für die Kerze so aus, als würde sie an 1/10 der 12-V-Versorgung betrieben, also höchstens an 1,2 V, wofür sie auch vorgesehen ist.
Die minimale Einschaltdauer ist bei einer Pulslänge von 5 µs = 0,005 ms erreicht; das entspricht nur noch 0,1% und läßt die Kerze im wahrsten Wortsinn kalt. Dennoch ist dieser Sicherheitsanschlag für die Inbetriebnahme und alle späteren Einstellungen recht günstig, da er gefahrlos ist.
Das eigentliche Pulsen des Kerzenstroms übernimmt ein Power- MOSFET. Der ist erstens schnell, d.h. er „verschmiert“ die steilflankigen Impulse nicht, so daß die Einstellung zuverlässig stabil bleibt; und zweitens ist er ohne weiteres in der Lage, Spitzenströme von mehreren Ampere zu schalten.
Parallel zur Kerze liegt eine Freilaufdiode D3, die die Induktionsspitzen kurzschließt, die beim Schalten der Wendel-Induktivität auftreten. Eine ähnliche Schutzfunktion hat die Z-Diode D2, die eventuelle Überspannungen vom Gate des MOSFETs fernhält.
Damit der zeitbestimmende Schaltungsteil nicht vom Lastkreis beeinflusst wird, ist der Timer über das RC-Glied R2/C1 von der Versorgungsspannung entkoppelt. Die „HF-Klatschen“ C2 und C4 machen etwaige hochfrequente Spitzen zunichte.
Nachbau
Besonders aufpassen müssen Sie bei den Kleinsignaldioden, weil es sich bei der einen um eine Z-Diode handelt (D2); diese erkennen
Sie am Aufdruck, die 1N4148 ist meistens unbedruckt. Ähnlich problematisch kann es bei den keramischen Kondensatoren
zugehen, weil deren Aufdruck nicht einheitlich ist. So steht beispielsweise ‘104’ für 10 • 104 [pF] = 102 nF = 100 nF und
‘10n’ bedeutet einfach 10 nF.
Es versteht sich, dass die Elkos (genau wie die drei Dioden und die IC-Fassung) polungsrichtig einzulöten sind. Der MOSFET wird fest
mit dem Kühlkörper verschraubt, um eine gute Wärmeabfuhr sicherzustellen.
Achten Sie beim Montieren des Kühlkörpers darauf, dass die Beinchen im Bereich der Durchführung nicht kurzgeschlossen
werden! Wenn Sie bei der obligaten Sichtkontrolle keinen Löt oder Bestückungsfehler gefunden haben, geht es an einen ersten
Test, der allerdings noch ohne eine empfindliche Glühkerze abläuft.
Schließen Sie zunächst an die Klemmen +Uv und GND eine 12-VGleichspannung an und verbinden Sie die Glühkerzenanschlüsse
+Glo/–Glo mit einer 12-V-Autoglühlampe. Beim Linksanschlag des Potis muss die Lampe vollkommen dunkel bleiben, und beim
langsamen Rechtsdrehen nimmt die Helligkeit dann immer mehr zu. Allerdings erreicht die Lampe niemals ihre volle Helligkeit,
weil ja maximal nur 10% der vollen Leistung durchkommen!
Sofern Sie ein Oszilloskop zur Hand haben, können Sie sich noch von den angegebenen Zeiten überzeugen: Die minimale HIGH Dauer
am 56-½-Widerstand R3 beträgt ca. 5 µs (Poti-Linksanschlag), und beim Rechtsanschlag erreicht sie ca. 500 µs; die Wiederholrate liegt bei ca. 5 ms.
Dieses Ansteuerfrequenz von ca. 200 Hz ist wegen der Steilflankigkeit sehr oberwellenhaltig; wenn man genau hinhört, dann vernimmt man ein leises Sirren. Wenn alles so funktioniert, dann können Sie eine richtige Kerze vorglühen. Drehen Sie das Poti so weit auf, dass die Wendel orange bis hellrot wird und markieren Sie diese Stellung für später. Zur Kontaktierung im Modell stehen zahlreiche Varianten zur
Verfügung, die bereits fertig konfektioniert sind. Starterkabel und Kerzenanschluss bleiben fest installiert, während die
Klemme nur zum Starten dient.

 
 
R1 = 1 k braun, schwarz, rot
R2 = 100 R braun, schwarz, braun
R3 = 56 R grün, blau, schwarz
R4 = 820 k grau, rot, gelb
R5 = 10 k braun, schwarz, orange
D1 = 1 N 4148 Silizium-Universaldiode
D2 = ZPD 12 Zener-Diode 12 Volt
D3 = 1 N 4002 o.ä. Silizium-Leistungsdiode
C1 = 100 µF Elko
C2 = 0,1 µF = 100 nF = 104 Keramik-Kondensator
C3 = 0,047 µF = 4,7 nF = 4n7 = 472 Keramik-Kondensator
C4 = 0,01 µF = 10 nF = 103 Keramik-Kondensator
C5 = 470 µF Elko
C6 = 0,047 µF = 4,7 nF = 4n7 = 472 Keramik-Kondensator
P1 = 100 k (Glühkerzenspannung)
F1 = 6,3 A mT
T1 = RFP 15 N 05 oder BUZ 71 N-Kanal-Leistungs-MOSFET
 
 
In diesem Arbeitsgang wird der Transistor zusammen mit dem
Kühlkörper eingesetzt (Anschlußbeinchen entsprechend dem
Raster nach unten abwinkeln) und auf der Platine verschraubt.
Beachten Sie dabei die Lage: Orientieren Sie sich hierbei an der
beschrifteten Seite des Transistors. Die Beschriftung muß lesbar
sein. Danach werden die Anschlußbeine des Transistors auf der
Leiterbahnseite verlötet. Die Anschlußbeine dürfen sich auf keinen
Fall kreuzen. Achten Sie auf kurze Lötzeit, damit der Transistor
nicht durch Überhitzung zerstört wird.
 
 
Technische Daten
Eingangsspannung . . . . . . . . . : Kfz-Batterie (12 V=)
Ausgangsspannung . . . . . . . . . : 1,2 bis 2,5 V
Ausgangsstrom . . . . . . . . . . . . : maximal 6 A
Grundfrequenz . . . . . . . . . . . . . : 200 Hz
Pulsdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . : 5...500 µs (stufenlos verstellbar)
Tastverhältnis . . . . . . . . . . . . . . : 0,1...10%
Stromaufnahme . . . . . . . . . . . . : ca. 10 mA (Ruhe); Arbeitsstrom
je nach Kerzentyp
Abmessungen . . . . . . . . . . . . . : 65 x 55 mm


 
 
2.2 Drehen Sie nun den Schleifer von P1 auf den linken Anschlag.
2.3 An die mit dem Glühkerzensymbol bezeichneten Schraubklemmen wird nun eine Lampe (Kfz-Glühlampe mit ca. 10...20 W)  angeschlossen.
2.4 An die mit „+“ und „-“ bezeichneten Klemmen wird jetzt die Betriebsspannung (Gleichspannung), die etwa 12 V betragen soll, polungsrichtig angeschlossen. Beachten Sie dabei unbedingt die Polarität, da sonst Bauelemente zerstört werden.
2.5 Messen Sie vorsichtshalber die im Schaltplan angegebenen Spannungen nach, die gemessenen Werte müssen etwa mit den angegebenen Werten übereinstimmen. Gemessen wird, falls nichts anderes angegeben, immer gegen Minus (Masse).
2.6 Drehen Sie nun den Schleifer des Potis P1 langsam nach rechts, die Glühlampe muß nun schwach zu leuchten beginnen.
Da der Regelbereich mit P1 relativ klein ist, leuchtet die Lampe nur schwach.
2.7 Ist bis hierher alles in Ordnung, so überspringen Sie die nachfolgende Fehler-Checkliste.
2.8 Sollte sich wider Erwarten die angeschlossene Glühlampe in der Helligkeit nicht regeln lassen bzw. nicht oder mit voller
Helligkeit leuchten 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