Anleitung Beliebte Beiträge im Thema: Leistungstransistoren in Blastern

  1. Dominik

    Dominik Erfahrener Benutzer

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  3. Achtung Textbombe!
    (Ich entschuldige mich im Voraus für den langen Text, aber etwas Fachwissen hat noch niemandem geschadet. Oder wie mein Vater so gerne sagt: "Allgemeinbildung heißt, sich über jedes Thema fünf Minuten unterhalten zu können.")

    Leistungstransistoren in Blastern

    Wenn es um das Modden elektrischer Blaster geht, fallen meistens mehrere Stichworte:
    - Thermistoren entfernen oder überbrücken
    - größerer Leitungsquerschnitt
    - mehr Spannung
    - leistungsfähigere Spannungsquellen (LiPo-Einzelzellen oder Modellbau-Akkupacks)

    Worüber sich allerdings kaum jemand Gedanken zu machen scheint ist die Frage wie man die Stromkreise allgemein effektiver gestalten kann.
    Viele regen sich darüber auf, dass die Schalter so billig gebaut sind. Manche tauschen sie durch robustere Schalter aus, was oft einen größeren Umbau zur Folge hat, speziell die Rapidstrike ist da eine ziemliche Diva.

    Eine (für mich) einfachere Lösung ist das, was bei größeren Leistungen immer angewandt wird, eine Trennung in einen Steuer- und einen Laststromkreis.
    Dadurch werden die Steuerelemente nicht mit dem Laststrom belastet und können mit dünneren Leitungen ausgeführt werden, wodurch gleichzeitig die Hauptstromleitungen deutlich kürzer und dicker ausgeführt werden können.
    Um das zu erreichen kann man verschiedene Dinge verwenden: Relais, Transistoren etc.
    Dabei sind einzig Transistoren klein genug um in Blastern verbaut zu werden, so gut wie immer werden dabei Feldeffekttransistoren (FET) verwendet. Bei herkömmlichen Bipolartransistoren wird ein Steuerstrom benötigt, Feldeffekttransistoren mit isoliertem Steuereingang (IG-FET, MOS-FET) werden über die am Gate anliegende Spannung gesteuert, es fließt nur ein winziger Strom (ein paar Nanoampere).


    Die Theorie:

    MOSFETs werden in vier Versionen hergestellt: n- und p-Kanal, welche noch mal in selbstsperrende Anreicherungstypen und selbstleitende Verarmungstypen unteteilt werden.
    Den Typ kann man auch anhand der Schaltzeichen erkennen, sofern nicht anders angegeben beziehe ich mich im Folgenden auf selbstsperrende n-Kanal MOSFETs.

    Natürlich gibt es auch bei MOSFETs Eigenheiten, die beachtet werden müssen:
    - am Gate muss ein Pull-Down-Widerstand von 10-100 Kiloohm geschaltet werden
    - schaltet der Transistor induktive Lasten wie z.B. Motoren oder Relaisspulen muss eine Freilaufdiode parallel zur Last in Sperrichtung geschaltet werden
    - Transistoren leiten den Strom nur in eine Richtung

    Ausführlich:

    Pull-Down-Widerstand: Das Gate (Steuereingang) eines MOSFETs ist, wie der Name schon sagt, isoliert. Schaltet man den Transistor lädt sich das Gate auf, wird aber nach dem Abschalten kaum entladen. Das Gate hat nur eine kleine Kapazität, daher kann der Pull-Down-Widerstand recht groß gewählt werden und verursacht nur einen kleinen Leckstrom.

    Freilaufdiode: Eine induktive Last erzeugt beim Abschalten durch das zusammenbrechende Magnetfeld eine entgegen gepolte Spannung, welche bis zu zehnmal höher als die Nennspannung ist (Stichwort Selbst- oder Eigeninduktion). Die Freilaufdiode schließt diese so dicht an der Quelle wie möglich kurz und vermeidet so Rückwirkungen auf die Steuerschaltung. Will man einen Motor in beiden Laufrichtungen ansteuern funktioniert das natürlich nicht, aber dazu später mehr.

    Transistoren leiten den Strom nur in eine Richtung: Ein Transistor ist im Grunde eine Schaltung aus Dioden und die sperren in eine Richtung, deshalb gibt es p- und n-Transistoren. n-Kanal Mosfets leiten den Strom von Plus nach Minus, p-Kanal in der entgegengesetzten Richtung und werden auch anders angesteuert.


    Die Praxis:

    Die Verdrahtung (Allgemein):
    In der Elektrotechnik werden Leitungen anhand von zwei Kriterien ausgelegt, der Strombelastbarkeit und dem Spannungsfall, also dem Spannungsverlust der durch die Leitung verursacht wird.
    Der Spannungsfall kann bei unseren kurzen Leitungen ignoriert werden, den benötigten Querschnitt könnte man berechnen, aber allgemein bleibt man mit der Faustformel 10 Ampere pro Quadratmillimeter problemlos unter der Belastungsgrenze, die bei Dauerlast eine Leitertemperatur von 70°C ergibt. Bei den kurzen Laufzeiten unserer Blaster kann man also noch deutlich höher gehen.

    Anmerkung: Bei Schaltplänen werden bei Widerständen und Kondensatoren wird oft die Einheit weggelassen, zum Beispiel hat ein Widerstand von 100 Kiloohm hat so den Wert 100k.

    Die Flywheels:
    Eine Schaltung, die in jedem Flywheel-Blaster gleich ist, ist die Ansteuerung der Flywheelmotoren.
    An Stelle der mechanischen Schalter wird ein Mosfet zwischen den Motoren und dem Minuspol der Stromquelle eingebaut. Drain (D) wird an den Motor geschaltet, Source (S) wird mit Minus verbunden, an das Gate (G) kommt die Steuerspannung. Auf diese Weise liegt die Steuerspannung wirklich zwischen Gate und GND an. Würde der Motor zwischen Source und GND angeschlossen, würde da noch der Spannungsabfall am Motor in die Rechnung pfuschen.

    Schaltplan Flywheels.png

    Die Steuerspannung wird an den mittleren Pin des Tasters angelegt, das Gate liegt an Pin 3, das ist der dem Stößel abgewandte Pin.
    Ich habe eine abweichende Steuerspannung verwendet, man kann aber auch die Betriebsspannung verwenden, die meisten Mosfets schalten bereits bei einer kleinen Spannung, üblicherweise unter 5V, durch, daher können sie mit Digitalschaltungen mit 5V Betriebsspannung angesteuert werden. Um sicher zu gehen, sollte man aber die Datenblätter zu Rate ziehen, die kann man sich z.B. bei ALLDATASHEET.COM - Datasheet search site for Electronic Components and Semiconductors and other semiconductors. herunterladen, die sind aber allgemein auf Englisch.
    Wird ein Transistor nicht vollständig durchgeschaltet, wirkt er wie ein einstellbarer Widerstand und erwärmt sich stark. Daher werden Transistoren immer voll durchgeschaltet betrieben, eine Leistungsregelung erfolgt über eine Puls-Weiten Modulation, der Strom wird also schnell an- und ausgeschaltet.
    Der von mir verwendete Transistor ist ein IRL3705N mit 55V Höchstspannung und 89A Dauerstrom (gekühlt!), der hohe Dauerstrom bedeutet, dass bei den in Blastern vorkommenden Strömen auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann. Den Pull-Down Widerstand habe ich direkt an die Pins gelötet und den Transistor mit Spiegelklebeband auf den FW-Cage geklebt.

    FW-Cage.png

    Die Freilaufdiode habe ich direkt auf die Platine mit dem Entstörsatz gelötet, ebenso die neuen Zuleitungen. Und das was viele als Widerstände bezeichnen und entfernen sind in Wahrheit Entstördrosseln.

    Motorplatine.png

    Als Freilaufdioden werden normalerweise Schottkydioden verwendet, die öffnen schneller und eignen sich besser zum Schutz von Halbleitern, ich habe hier eine gewöhnliche 1A-Diode vom Typ 1N4001 verwendet, die aus der nun unnötigen Abzugsgruppe der Rapidstrike stammt, das funktioniert hier auch.


    Der Pusher (bis jetzt nur bei der Rapidstrike):
    Jetzt kommt das schwierige, der Pusher. Im Grunde ist das auch nur ein Motor, der in eine Richtung laufen muss, die Schwierigkeit besteht darin, dass er immer so anhalten muss, dass sich der Pusher in der hinteren Position befindet.

    Hasbro hat das so gelöst, dass der Pusher durch eine Kulissensteuerung lange genug in der hinteren Stellung verharrt um den Motor abbremsen zu können. Ist der Abzug unbetätigt und der Pusher in der hinteren Position, wird der Motor durch die beiden Taster kurzgeschlossen. Dabei arbeitet der Motor als Generator, die verbleibende Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt und durch den kurzgeschlossenen Motor in den Motorwicklungen in Hitze umgewandelt. Kurzgeschlossen wirkt er also wie ein Generator unter Höchstlast, im Leerlauf mit offenen Kontakten würde nur die Reibung des Motors als Bremse wirken und der Motor würde zu lange zum Abbremsen brauchen.
    Solange man die empfohlenen Batterien verwendet funktioniert das gut, die Batterien können nicht genug Energie liefern um den Pusher mit dem nötigen Strom versorgen zu können, ihre Spannung bricht bei Belastung ein, der Pusher läuft also nicht mit Nennspannung. Schließt man jetzt eine leistungsfähige Energiequelle an, bekommt der Pusher plötzlich deutlich mehr Energie, muss zum Abbremsen dementsprechend auch mehr Energie in Hitze umwandeln (nein, die wird nicht verbraucht, Energie kann nur umgewandelt werden, aber sie bleibt immer gleich).
    Dummerweise ist die Bewegungsenergie noch nicht aufgezehrt wenn die Kulisse den Pusher wieder nach vorne bewegt, wodurch der Pushertaster den Motor wieder einschaltet. So läuft der Pusher so lange bis die Spannungsversorgung getrennt wird. Bei Trustfires scheint das mit zwei Zellen wohl noch zu funktionieren, bei drei schon nicht mehr.

    Ich hatte allerdings die Bremsschaltung schon ausgebaut und den Motor wie die Flywheels mit einem Mosfet ausgestattet. Dadurch, dass der Motor nur abgeschaltet, aber nicht kurzgeschlossen wurde hat er den Pushertaster "überfahren" und kam nicht zum Stillstand.
    Ein zweiter Versuch mit einem weiteren Mosfet, das den Motor bei abgeschalteter Spannungsversorgung in Richtung des Stromflusses kurzschloss, gegen den Stromfluss hatte ich schon die Freilaufdiode, hat auch nicht funktioniert, ich merkte aber schon deutlich, wie der Motor immer wieder anlaufen musste.

    Bis mir dann etwas einfiel, dass ich kurz vorher bereits eingesetzt hatte, ein H-Brücken Treiber. Diese Treiber gibt es als Bausteine zu kaufen, sie werden normalerweise benutzt wenn man Bürstenmotoren in beide Drehrichtungen ansteuern will, dazu braucht man nur drei Signaleingänge.
    Die Schwierigkeit bestand darin, einen Baustein zu finden der auch noch mit zwei Zellen funktioniert. Der zweifach-Treiber L298 funktioniert ab einer Versorgungsspannung von 7,5V und hat, mit beiden Brücken parallel geschaltet, einen Dauerstrom von 4A, mehr als genug für das Motörchen.

    Da der Treiber zum funktionieren noch zusätzlich Bauteile benötigte, unter anderem eine Steuerspannungsversorgung von 5V, musste ich mir eine Platine ätzen, wegen der teilweise umständlichen Signalführung auch noch zweiseitig.

    Der Baustein wird wie folgt angesteuert:
    Schaltplan Pusher.png

    Wenn nur die Flywheels laufen liegt am Baustein nur das Enable-Signal an und die Motorkontakte sind kurzgeschlossen, genau wie in der alten Schaltung. Wird nun noch der Abzug gedrückt oder ist der Pusher noch nicht eingefahren schaltet der Baustein den Motor in die vorgegebene Laufrichtung.

    Durch den Treiber ist die Verdrahtung am Abzug deutlich einfacher geworden:
    Abzugsgruppe.png
    Weiß ist die Steuerspannung, grün sind die Signalleitungen zum Treiber und die winzige gelbe Leitung unten am FW-Drücker ist die Signalleitung für die Flywheels.

    Außerdem konnte ich den Baustein klein genug bauen so dass er über dem Pusher Platz fand, allerdings musste ich die Jamdoor weglassen. Sollte ich irgendwann Lust haben baue ich eine kleinere Schaltung mit der ich nur noch den hinteren Steg der Jamdoor ausschneiden muss.
    Treiber 1.png

    Zum Thema winzige Leitung:
    Durch die kaum belasteten Steuerleitungen konnte ich sie deutlich im Querschnitt verringern und gleichzeitig die Hauptleitungen vergrößern sowie noch mehrere Sonderfunktionen unterbringen:
    Leitungen im Magazinschacht.png
    Von oben nach unten:
    - Versorgungsspannung Plus und Minus, je 0,75mm² Silikonleitung
    - Mittenabgriff Akkupack für die Einzelzellenüberwachung im Handgriff, 0,14mm²
    - 4-polige Flachbandleitung vom Ammocounter zum Mündungsblitz
    - Signalleitung zum FW-Treiber und Schaltkontakte für den Ammocounter, je 0,05mm² Wire-Wrap Draht (ja, richtig gelesen, der hat mit Isolierung einen Durchmesser von 0,56mm)

    Und so sieht der ganze Blaster von innen aus:
    Verdrahtung gesamt.png

    Und so von hinten, oben dei Einzelzellenüberwachung, unten der BAAC:
    Von hinten.png

    Der Pusher bleibt gelegentlich auf dem hinteren Drittel des nächsten Darts stehen, aber Einzelschüsse, Salven und natürlich Dauerfeuer funktionieren trotzdem einwandfrei.
    Die Knifte ist nicht besonders hübsch und es fehlt hier und da noch etwas Farbe, aber jetzt ist sie ein zuverlässiger Gefechtsblaster.
     
    Zuletzt bearbeitet: 18. Februar 2016
  4. Crash Override

    Crash Override Erfahrener Benutzer

    Aufgrund eines Schaltungsfehlers (kann jedem passieren!) hab ich auch hier für diesen Thread die Animation über die Funktionsweise eines Transistors (keinem MosFet; dessen Animation / Video ist weiter unten zu finden!), wie wir diese in den Blastern verwenden (damit es nicht verloren geht und man lange suchen muss):

    Source: Kollektor (C)
    Drain: Emitter (E)
    Gate: Basis (B)

    [​IMG]
     
    Zuletzt bearbeitet: 7. März 2019
  5. Crash Override

    Crash Override Erfahrener Benutzer

    Mit ESD hab ich aktuell täglich zu tun (von wegen Arbeit an einer SMD-Bestückungslinie) - allerdings hab ich (wie schonmal woanders erwähnt) von vielen Halbleitern keine Ahnung.

    ich weiß wie ein Transistor funktioniert (sonst hätte ich die nette animation nicht gefunden), ich weiß was ein widerstand macht, ne diode und ein Kondensator - aber Spezialtypen von div. Bauteilen (wie eben dem MosFet, einem Widerstands-Netzwerk oder einer Zenerdiode) kenne ich vielleicht vom Namen her (das Widerstandsnetzwerk hab ich auch nur durch Zufall erst diese Woche in der Hand gehabt - mehr als den Namen kenne ich aber nicht), aber nciht deren funktion.

    Praktisch muss man sich den MosFet also so vorstellen, das der (Steuer)Strom, der in den Gate läuft, gegen die Klappe drückt - aber keine Berührung zum LastStrom hat, der durch die angehobene Barriere fließt?

    Edith: ich glaube, ich hab jetzt eine passendere "animation" (sprich, ein video - bei der Google Bildersuche, bei der ich das Prinzip des Transistors gefunden habe, war leider über einem N-channel Mosfet nichts zu finden) gefunden, das vielleicht das widerspiegelt, was ich erfragt habe - wenn ich das richtig verstanden habe, was du erklärtest @medusa :



    ich bitte um rückmeldung, ob das so passt oder nicht (gilt auch für @Dominik ). dann entferne / Korrigiere ich die Beschreibung für die andere animation.
     
    Zuletzt bearbeitet: 7. März 2019
    glimmlampe82, Dominik, Lorcan und 2 anderen gefällt das.