Liebe Bastelfreunde und Hobbyelektroniker,
ich habe Euch ja schon einige Propellerflieger von mir vorgestellt, die ich mit einem kleinen Motörchen ausgerüstet habe. Mit diesem Beitrag möchte ich Euch etwas genauer zeigen, wie ich das im Detail gemacht habe. Vielleicht kann ich den einen oder anderen ermutigen, auch mal zum Lötkolben zu greifen. Es ist nicht so schwer, wie manch einer glauben mag. Und falls irgendetwas unklar geblieben ist, nur raus mit Euren Fragen, dafür ist das Forum da. Nur von Fertigungsaufträgen bitte ich abzusehen, auch für mich ist Freizeit ein knappes Gut.
Oberster Grundsatz war für mich, dass ich so wenig wie irgend möglich von der „Sonderausstattung“ am fertigen Flieger sehen will, außer dem drehenden Propeller natürlich. Wenn Ihr so baut wie ich, werden das lediglich die 3 Löchlein der Ladebuchse sein. Und die sind nicht groß und können ganz gut versteckt werden.
Fangen wir mit dem Energiespeicher an. Ich habe mich für SuperCaps entschieden. Weitere übliche Handelsnamen sind GreenCap, UltraCap, Doppelschichtkondensator u.a., gemeint ist aber immer ein Elektrolytkondensator („Elko“) mit extrem hoher Kapazität aber geringer Spannungsfestigkeit. Sie sind langlebig, robust, gut zu beschaffen und benötigen kein kompliziertes Ladegerät. Hier eine kleine Auswahl:
Sie haben alle unterschiedliche Kapazitäten (bspw. 0,22F, 0,33F, 1F, 3F oder 10F) und Spannungsfestigkeiten (2,3V, 2,7V oder 5,5V), die Werte sind immer aufgedruckt. Welche und wie viele Ihr einsetzt, hängt ganz von den Platzverhältnissen in Eurem Modell ab. Was ich aber nicht machen würde – verschiedene SuperCap-Typen in einem Modell zu mischen. Bleibt bei einem Typ. Ich sehe immer zu, auf eine Spannungsfestigkeit von ca. 5V zu kommen (entweder SuperCaps, die selbst schon 5,5V vertragen oder zwei in Reihe mit je 2,7V). Auch eine Parallelschaltung dieser Elemente ist möglich nach dem Motto „je mehr, desto besser“, Limit ist, wie gesagt, nur das Platzangebot. Ich baue bevorzugt im 1/72-Maßstab, da kann es schon mal eng werden. Wer es schafft, in eine 1/144-er Spitfire 1F/5V einzubauen, vor dem ziehe ich meinen Hut!
Als Motor verwende ich den M660, 6mm Durchmesser, 15mm Länge, Anlaufspannung etwa 0,15V (gemessen). Andere Motoren aus dieser Serie sollten auch gehen, habe ich aber nicht ausprobiert. Und so sieht er aus:
Nachdem wir nun den Energiespeicher und den Motor haben, sollten wir uns ein paar Gedanken machen, wie wir beide zusammen bringen. Einfach zusammenlöten würde ich sie nicht, da der Motor eine Nennspannung von nur 1,3V hat. Hier 3 Lösungsvarianten im Schnelldurchlauf:
Variante 1: Vorwiderstand RV
Die einfachste Variante, nur 1 Bauteil (eben dieser Vorwiderstand) erforderlich. Aber: der weitaus größte Teil der zugeführten Energie aus dem SuperCap kommt nicht dem Motor zu Gute, sondern wird im Vorwiderstand in Wärme konvertiert. Keine Angst, da glüht nichts auf, aber vernünftige Laufzeiten sind so nicht zu erreichen. Der Wirkungsgrad unter realen Bedingungen beträgt unter 5%. Außerdem läuft der Motor mit stetig fallender Drehzahl. Für mich die allerschlechteste Wahl.
Variante 2: Konstantstrom- bzw. Spannungsquelle KSQ
Hier wird der Motorstrom auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Die Drehzahl des Motors bleibt konstant, jedenfalls so lange, wie die Schaltung noch eine genügend hohe Spannung (Mindestspannung) vom SuperCap erhält. Nachteil ist, dass die realen Schaltungen 1,5V oder z. T. auch deutlich mehr an Mindestspannung benötigen; die Ladung des SuperCaps unterhalb dieser Spannung kann man also nicht nutzen. Trotzdem kann man einige Minuten Laufzeit erreichen. Der Bauaufwand hängt von der Schaltung ab: im einfachsten Fall nimmt man eine sogenannte Strombegrenzerdiode (schwer aufzutreiben), im schlimmsten (aber von den elektrischen Eigenschaften besten) Fall 6 Bauelemente. Wer keine Schaltung selbst löten will, kann auch nach Konstantstromquellen für LEDs Ausschau halten. Ich habe da mal eine gefunden, die 20mA liefert und eine Mindestspannung von nur 0,75V braucht. Momentan ist sie wohl aber leider nicht verfügbar.
Egal, welche konkrete Schaltung man nutzt, auch hier wird die Energie, die vom Motor ferngehalten wird, gnadenlos in Wärme umgesetzt. Wirkungsgrad unter 10%.
Variante 3: Schaltwandler
Diese Variante ist mein Favorit. Idee hierbei ist, dass der Quelle nur so viel Energie entnommen wird, wie der Verbraucher benötigt. Klar, auch hier treten Verluste auf, aber ein gemessener Wirkungsgrad von 30% spricht, glaube ich, für sich. Und mit speziellen Schaltkreisen – ich verwende den LT1073 (Wichtig! Ohne -5 oder -12 am Ende der Typbezeichnung, diese liefern feste Ausgangsspannungen von 5V bzw. 12V und sind für unsere Zwecke völlig unbrauchbar!) - ist der Lötaufwand wirklich überschaubar.
Im Folgenden werde ich, Schritt für Schritt, zeigen, wie man die Schaltwandlervariante mit minimalem Platzbedarf zusammenbaut.
Hier sind die Kandidaten, die wir nun zusammentüdeln wollen. Darf ich vorstellen, von links nach rechts: die Induktivität („Spule“) PIS2816 100µH, der Schaltkreis LT1073 als kleine SMD-Variante, der Widerstand 220 Ohm (Bauform 0805), der SMD-Tantal-Kondensator 100µF und die Schottky-Diode MBRS 140.
Zunächst, wie im Bild zu sehen, die Pins 2 und 3 des Schaltkreises mit einer kleinen Zinnbrücke versehen. Da ich mit der linken Hand das Lötzinn halte und mit der rechten den Lötkolben, kann ich die Bauteile nicht auch noch festhalten. Daher mein Tipp: klebt auf die (möglichst hitzebeständige) Bastelunterlage doppelseitiges Teppichklebeband und drückt das Bauteil drauf. So ist es erstmal fixiert. Und lasst Euch nicht zu viel Zeit beim Löten; wir wollen löten und die armen Bauteile nicht ausglühen. Noch ein Tipp für Lötanfänger: Elektroniklötkolben (nicht den für die Dachrinnenreparatur) mit kleiner, gut verzinnter Spitze (0,8mm) verwenden, mit der Spitze beide IC-Beinchen 1…2 Sekunden erwärmen, etwas Lötdraht dazugeben, schmelzen lassen und sofort, wenn das Lot beide Beinchen schön umflossen hat, den Lötkolben wegnehmen und die Lötstelle abkühlen lassen. Damit steht die erste Verbindung.
Jetzt ist der 220 Ohm-Widerstand dran. Dazu die Zinnbrücke von eben wieder erwärmen, den Widerstand mittels Pinzette über den IC-Pins 1 und 2 platzieren, so dass er mit der rechten Seite im flüssigen Lot liegt, Lötkolben wegnehmen und Lötstelle abkühlen lassen. Der Widerstand sollte nun einseitig festgeheftet sein. Nun linke Seite des Widerstandes und IC-Pin 1 mit der Lötspitze erwärmen und gleichzeitig Lötdraht zugeben. Sobald das Lot geschmolzen ist, Lötspitze wegnehmen. Ist der Widerstand lose oder verrutscht, hat das Ganze zu lange gedauert, also nochmal machen. Wenn die Lötung gut aussieht, die rechte Seite des Widerstandes nochmal mit Hilfe von etwas frischem Lötdraht nachlöten.
Nun ein ausreichend langes Stück rote Litze kurz abisolieren, verzinnen und in die Zinnbrücke zwischen den IC-Pins 2 und 3 löten. Dieser Draht stellt später die Verbindung zur Pluspol der Spannungsversorgung (also dem SuperCap) her.
Die Induktivität mit Kontakten nach oben auf dem Klebestreifen drücken und unteren Kontakt mit etwas Lötzinn versehen.
Den IC mittels Pinzette so über die Induktivität halten (nicht ablegen!), dass IC-Pin 4 über dem verzinnten Kontakt „schwebt“ und IC-Pin 8 über dem anderen, noch nicht verzinnten, Kontakt ist. IC-Pin 4 und verzinnten Kontakt mit Lötspitze anheften, abkühlen lassen, den anderen Kontakt mit IC-Pin 8 mittels Lötdraht verlöten, wieder abkühlen lassen und die geheftete Lötverbindung an IC-Pin 4 mit Lötdraht richtig verlöten.
Kontrollieren, dass der IC etwas über der Induktivität „schwebt“
und keine anderen Beinchen untereinander oder mit den Anschlüssen der Induktivität Kontakt haben. Falls doch, Brücken beseitigen mit Hilfe von Entlötlitze oder Entlötpumpe. Auch hier wieder die Warnung: nicht braten, sondern löten!
Jetzt den IC mit der Induktivität wie im folgenden Bild gezeigt auf den Klebestreifen heften und die Schottky-Diode mittels Pinzette an die IC-Pins 4 und 5 halten. Achtung! Die markierte Seite der Diode (die Kathode) muss unten, also an IC-Pin 4, liegen. Dann die nicht markierte Seite der Diode mittels Lötdraht an IC-Pin 5 heften, abkühlen lassen, IC-Pin 4, Kathodenseite der Diode und Induktivität mit Lötdraht richtig verzinnen, abkühlen lassen und die bis jetzt nur geheftete Verbindung Anode und IC-Pin 5 richtig verlöten und abkühlen lassen.
Den Kondensator mittels Pinzette so an den IC halten, dass die positiv gepolte Seite an IC-Pin 8 und die negativ gepolte an IC-Pin 5 liegt. IC-Pin 8 und positive Seite des Kondensators mit Lötzinn anheften, abkühlen lassen, Kondensator richtig mit IC-Pin 5 und Diode verlöten und abkühlen lassen.
So, Zielgerade. Nun 2 ausreichend lange Stücken schwarzer Litze einseitig abisolieren, verdrillen, verzinnen und so weit zurückschneiden, dass nur 1 oder 2mm Draht aus der Isolation hervorschauen. Dieses Ende mit IC-Pin 5 , der Anode der Diode und der negativ gepolten Seite des Kondensators verlöten. Ein Draht wird die negative Verbindung zur Spannungsversorgung (dem SuperCap) herstellen, der andere die erste zum Motor.
Zum Schluss von einem ausreichend langen weißen Litze ein Stück abisolieren, verzinnen und das aus der Isolierung hervorschauende Stück auf 1…2mm kürzen und in die Zinnbrücke zwischen IC-Pin 8 und der positiven Seite des Kondensators löten.
Gleich geht's weiter...