11.7.16: Solar-Winker seziert
Zwei Sonnenblumen pendeln im Sonnenlicht. Braucht man nicht, ist echter Kitsch, aber sehr preiswert und technisch interessant. Besonders beeindruckend fand ich, mit wie wenig Licht das Modell auskommt. Am Fester funktionioniert es auch bei starker Bewölkung, Wenn das Lich zu schwach ist, sieht man in längeren Abstanden einen kleinen Ruck, mit denen ein neuer Start versucht wird.
Die Sache muss natürlich genauer untersucht werden. Innen findet man eine Spule mit extrem dünnem Draht. Darüber hängt ein beweglicher Magnet, im Ruhezustand etwas neben der Mittelachse der Spule. Ein kurzer Stromimpuls sollte also den Magneten anziehen oder abstoßen.
Die Elektronik hat eine kleine Platine mit dem Controllerchip und nur drei Anschlüssen. Parallel zur Solarzelle liegt ein Elko mit 470 µF. So wird also auch bei bei schwachem Licht die Energie für ausreichend starke Impulse gesammelt. Eine Messung zeigt, dass die Solarzelle bei direkter Sonne hinter Fensterglas einen Kurzschlussstrom von 1 mA bringt. Sie hat drei Teilzellen, also eine Spannung von 1,5 V.
Mit dem Oszilloskop sieht man, dass die Spule mit Impulsen von ca. 20 ms gegen Minus geschaltet wird. Die ersten Impulse sind asynchron. Wenn das Pendel eingeschwungen ist, geht die Elektronik zu einem synchronen Betrieb über. Die Spule erzeugt dann eine Induktionsspannung bis etwa 100 mV, die offenbar ausgewertet wird, um den richtigen Zeitpunkt für einen neuen Impuls zu finden.
Zum Test habe ich die Elektronik mit einem Labornetzgerät mit 1,5 V und mit einem Vorwiderstand von 10 k betrieben. Das Pendel schwingt problemlos an und läuft dann mit einem Strom von 70 µA bei einer mittleren Spannung von 0,8 V am Elko. Dann kann ich die Netzteilspannung bis auf 1 V reduzieren, ohne dass die Schwingungen aufhören. Dier mittlere Strom beträgt nur noch 30 µA.
Es würde mich reizen, eine Schaltung mit diskreten Bauteilen zu entwickeln, die das genauso schafft. Im ersten Ansatz würde ich dazu den ewigen Blinker aus der Bastelecke nehmen und an die Aufgabe anpassen. Schade, dass ich so wenig Zeit habe. Wer nimmt die Herausforderung an?
Nachtrag von Lars Neufurth
Bezüglich des Solar-Winkers wäre noch zu sagen das die ursprüngliche Idee dazu wohl von einem Herrn Hagen Jakubaschk stammt. In seinem Buch „Das kleine Elektrobastelbuch“ war das sehr gut beschrieben. Ich hatte das mal mit einem GA100 und einer Spitzendiode aufgebaut. Nach 2 Jahren ist die erste Batterie (Zink-Kohle) ausgelaufen. Nach ca. 4 Jahren war die Aufhängung durchgeschliffen. Allerdings läuft das mit einem Germaniumtransistor und Diode bis ca. 0,2V. Der deutlich niedrigen Schwellspannung sei Dank. Hier findet sich übrigens ein guter Scan des Buches (hab meins leider verschenkt): www.mint.nmp24.de/?Bauanleitungen:Magisches_Pendel
Hinweis von Jürgen Heidbreder
Ein diskretes Pendant ist hier beschrieben: https://www.youtube.com/watch?v=ctXzxNZBIHU
(Beide Schaltungen kommen der Aufgabe sehr nahe, aber man muss das Pendel noch manuell starten.)
Kommentar von Norbert Renz
Die bereits vorgeschlagenen Schaltungen benötigen eine Rückkopplungswindung, entsprechen somit nicht der Aufgabenstellung mit nur einer Spule. Jene Schaltung ist übrigens uralt und war damals in jeder Junghans Küchenuhr eingebaut. Siehe
www.hwynen.de/jgh-w736.html und als Einspulensystem: www.hwynen.de/tba840.html
Weiters habe ich die Aufgabenstellung so verstanden, dass die Ansteuerung asynchron funktionieren soll, also mit dem induzierten Impuls und nicht mit der Pendellänge und einer fest eingestellten Frequenz in einem Oszillator. Korrekt?
(Nicht ganz, beim Anschwingen gibt die Schaltung die Frequenz vor, später synchronisiert sie sich mit dem Pendel.)
Das habe ich auch noch gefunden. Hilft vielleicht beim Nachbau:
Andere Website, Analyse:
https://ez.analog.com/community/university-program/blog/2015/04/27/solar-powered-motion-toy-tear-down
Patent:
https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/mosaics?CC=CN&NR=101352268A&KC=A&FT=D&ND=1&date=20090128&DB=EPODOC&locale=en_EP
Wiki:
https://en.wikipedia.org/wiki/Flip_Flap
Big business:
www.officeplayground.com/desk-toys-c13/solar-motion-toys-c77.html
Eigenbau-Pendelschaltung mit Autostart von Norbert Renz
Die Schaltung ist an den Intermetall IC TCA860 angelehnt. Der Magnet ist D 5mm x 5mm und an zwei Fäden aufgehängt, damit die Richtung fixiert ist. Pendellänge ist 130 mm und die Periodendauer 750 ms. Der Oszillator ist so eingestellt, dass die Periode über den ganzen Speisespannungsbereich immer grösser als die Pendelperiode ist. Die Schaltung synchronisiert zuerst immer auf jeden zweiten Spulenimpuls. Wenn die Amplitude dann groß genug ist, auf jeden Impuls und das Pendel bekommt dann auf jeder Seite einen Antriebsimpuls.
Mit Luftspulen die ich aus Relais ausgebaut habe geht es auch, aber etwas schlechter, da der Magnet bei langen Spulen keine Tiefenwirkung hat. Da ich keine passende Solarzelle hatte, habe ich mit 1,3 V und verschiedenen Vorwiderständen gemessen. Die Schaltung muss zwar so eingestellt werden, dass über den ganzen Speisespannungsbereich die Periodendauer möglichst größer als die Pendelperiode ist, ist sie etwas kleiner, synchronisiert die Schaltung aber auch noch! Meine Flachspule stammt aus einer alten Uhr. 125kHz-Spulen für RFID-Anwendung gehen vermutlich auch.
Zwei Sonnenblumen pendeln im Sonnenlicht. Braucht man nicht, ist echter Kitsch, aber sehr preiswert und technisch interessant. Besonders beeindruckend fand ich, mit wie wenig Licht das Modell auskommt. Am Fester funktionioniert es auch bei starker Bewölkung, Wenn das Lich zu schwach ist, sieht man in längeren Abstanden einen kleinen Ruck, mit denen ein neuer Start versucht wird.
Die Sache muss natürlich genauer untersucht werden. Innen findet man eine Spule mit extrem dünnem Draht. Darüber hängt ein beweglicher Magnet, im Ruhezustand etwas neben der Mittelachse der Spule. Ein kurzer Stromimpuls sollte also den Magneten anziehen oder abstoßen.
Die Elektronik hat eine kleine Platine mit dem Controllerchip und nur drei Anschlüssen. Parallel zur Solarzelle liegt ein Elko mit 470 µF. So wird also auch bei bei schwachem Licht die Energie für ausreichend starke Impulse gesammelt. Eine Messung zeigt, dass die Solarzelle bei direkter Sonne hinter Fensterglas einen Kurzschlussstrom von 1 mA bringt. Sie hat drei Teilzellen, also eine Spannung von 1,5 V.
Mit dem Oszilloskop sieht man, dass die Spule mit Impulsen von ca. 20 ms gegen Minus geschaltet wird. Die ersten Impulse sind asynchron. Wenn das Pendel eingeschwungen ist, geht die Elektronik zu einem synchronen Betrieb über. Die Spule erzeugt dann eine Induktionsspannung bis etwa 100 mV, die offenbar ausgewertet wird, um den richtigen Zeitpunkt für einen neuen Impuls zu finden.
Zum Test habe ich die Elektronik mit einem Labornetzgerät mit 1,5 V und mit einem Vorwiderstand von 10 k betrieben. Das Pendel schwingt problemlos an und läuft dann mit einem Strom von 70 µA bei einer mittleren Spannung von 0,8 V am Elko. Dann kann ich die Netzteilspannung bis auf 1 V reduzieren, ohne dass die Schwingungen aufhören. Dier mittlere Strom beträgt nur noch 30 µA.
Es würde mich reizen, eine Schaltung mit diskreten Bauteilen zu entwickeln, die das genauso schafft. Im ersten Ansatz würde ich dazu den ewigen Blinker aus der Bastelecke nehmen und an die Aufgabe anpassen. Schade, dass ich so wenig Zeit habe. Wer nimmt die Herausforderung an?
Nachtrag von Lars Neufurth
Bezüglich des Solar-Winkers wäre noch zu sagen das die ursprüngliche Idee dazu wohl von einem Herrn Hagen Jakubaschk stammt. In seinem Buch „Das kleine Elektrobastelbuch“ war das sehr gut beschrieben. Ich hatte das mal mit einem GA100 und einer Spitzendiode aufgebaut. Nach 2 Jahren ist die erste Batterie (Zink-Kohle) ausgelaufen. Nach ca. 4 Jahren war die Aufhängung durchgeschliffen. Allerdings läuft das mit einem Germaniumtransistor und Diode bis ca. 0,2V. Der deutlich niedrigen Schwellspannung sei Dank. Hier findet sich übrigens ein guter Scan des Buches (hab meins leider verschenkt): www.mint.nmp24.de/?Bauanleitungen:Magisches_Pendel
Hinweis von Jürgen Heidbreder
Ein diskretes Pendant ist hier beschrieben: https://www.youtube.com/watch?v=ctXzxNZBIHU
(Beide Schaltungen kommen der Aufgabe sehr nahe, aber man muss das Pendel noch manuell starten.)
Kommentar von Norbert Renz
Die bereits vorgeschlagenen Schaltungen benötigen eine Rückkopplungswindung, entsprechen somit nicht der Aufgabenstellung mit nur einer Spule. Jene Schaltung ist übrigens uralt und war damals in jeder Junghans Küchenuhr eingebaut. Siehe
www.hwynen.de/jgh-w736.html und als Einspulensystem: www.hwynen.de/tba840.html
Weiters habe ich die Aufgabenstellung so verstanden, dass die Ansteuerung asynchron funktionieren soll, also mit dem induzierten Impuls und nicht mit der Pendellänge und einer fest eingestellten Frequenz in einem Oszillator. Korrekt?
(Nicht ganz, beim Anschwingen gibt die Schaltung die Frequenz vor, später synchronisiert sie sich mit dem Pendel.)
Das habe ich auch noch gefunden. Hilft vielleicht beim Nachbau:
Andere Website, Analyse:
https://ez.analog.com/community/university-program/blog/2015/04/27/solar-powered-motion-toy-tear-down
Patent:
https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/mosaics?CC=CN&NR=101352268A&KC=A&FT=D&ND=1&date=20090128&DB=EPODOC&locale=en_EP
Wiki:
https://en.wikipedia.org/wiki/Flip_Flap
Big business:
www.officeplayground.com/desk-toys-c13/solar-motion-toys-c77.html
Eigenbau-Pendelschaltung mit Autostart von Norbert Renz
Die Schaltung ist an den Intermetall IC TCA860 angelehnt. Der Magnet ist D 5mm x 5mm und an zwei Fäden aufgehängt, damit die Richtung fixiert ist. Pendellänge ist 130 mm und die Periodendauer 750 ms. Der Oszillator ist so eingestellt, dass die Periode über den ganzen Speisespannungsbereich immer grösser als die Pendelperiode ist. Die Schaltung synchronisiert zuerst immer auf jeden zweiten Spulenimpuls. Wenn die Amplitude dann groß genug ist, auf jeden Impuls und das Pendel bekommt dann auf jeder Seite einen Antriebsimpuls.
Mit Luftspulen die ich aus Relais ausgebaut habe geht es auch, aber etwas schlechter, da der Magnet bei langen Spulen keine Tiefenwirkung hat. Da ich keine passende Solarzelle hatte, habe ich mit 1,3 V und verschiedenen Vorwiderständen gemessen. Die Schaltung muss zwar so eingestellt werden, dass über den ganzen Speisespannungsbereich die Periodendauer möglichst größer als die Pendelperiode ist, ist sie etwas kleiner, synchronisiert die Schaltung aber auch noch! Meine Flachspule stammt aus einer alten Uhr. 125kHz-Spulen für RFID-Anwendung gehen vermutlich auch.
8.7.16: Messung der Empfänger-Empfindlichkeit
Als ich mit dem Elektor SDR-Shield fast fertig war, wurde ich gebeten, die technischen Daten kurz aufzulisten. Als Empfindlichkeit habe ich 1 µV angegeben. Aber ehrlich gesagt war das eine Schätzung. Und jetzt wollte ich es genauer wissen. Als Vergleich dient mir der SI4735, weil der eine zuverlässige Pegelauswertung enthält. Hier habe ich das PC-Radio SI4735 Set von Modul-Bus verwendet.
Dann beide Antenneneingänge parallelgeschaltet und einen Quarzoszillator mit 4 MHz in die Nähe gelegt. Tatsächlich handelte es sich um eine Platine mit ATmega8 und 4-MHz-Quarz. Die Abstrahlung ist sehr gering, deshalb habe ich einen Draht direkt am Quarz angeschlossen. Mit dem Abstand kann dann der Pegel verändert werden.
Dann wurden beide Empfänger auf 4 MHz eingestellt. Der SI7435 zeigt einen Pegel von 55 dBµV (ca. 500 µV). Die SDR-Software zeigt -10 dB, bei einem Rauschuntergrund bei -55 dB, was offensichtlich 10 dBµV entspricht (ca. 3 µV). 1 µV läge dann bei -65 dB. Diese 3 µV Rauschen werden mit den angeschlossenen Kabeln als Antenne eingefangen. Wenn ich aber den Antenneneingang am SDR nicht anschließe oder kurzschließe, sinkt der Rauschteppich unter -70 dB. Ein Signal von 1 µV würde also noch deutlich aus dem Rauschen ragen.
Als ich mit dem Elektor SDR-Shield fast fertig war, wurde ich gebeten, die technischen Daten kurz aufzulisten. Als Empfindlichkeit habe ich 1 µV angegeben. Aber ehrlich gesagt war das eine Schätzung. Und jetzt wollte ich es genauer wissen. Als Vergleich dient mir der SI4735, weil der eine zuverlässige Pegelauswertung enthält. Hier habe ich das PC-Radio SI4735 Set von Modul-Bus verwendet.
Dann beide Antenneneingänge parallelgeschaltet und einen Quarzoszillator mit 4 MHz in die Nähe gelegt. Tatsächlich handelte es sich um eine Platine mit ATmega8 und 4-MHz-Quarz. Die Abstrahlung ist sehr gering, deshalb habe ich einen Draht direkt am Quarz angeschlossen. Mit dem Abstand kann dann der Pegel verändert werden.
Dann wurden beide Empfänger auf 4 MHz eingestellt. Der SI7435 zeigt einen Pegel von 55 dBµV (ca. 500 µV). Die SDR-Software zeigt -10 dB, bei einem Rauschuntergrund bei -55 dB, was offensichtlich 10 dBµV entspricht (ca. 3 µV). 1 µV läge dann bei -65 dB. Diese 3 µV Rauschen werden mit den angeschlossenen Kabeln als Antenne eingefangen. Wenn ich aber den Antenneneingang am SDR nicht anschließe oder kurzschließe, sinkt der Rauschteppich unter -70 dB. Ein Signal von 1 µV würde also noch deutlich aus dem Rauschen ragen.
Im realen Einsatz des SDR überwiegt immer das Antennenrauschen, sodass die tatsächliche Empfindlichkeit des Empfängers kaum eine Rolle spielt. Und in den meisten Fällen sollte ein Signal um mindestens 20 dB aus dem Rauschen ragen, damit man es gut hören kann.
6.7.16: Kohleschichtwiderstände
In meiner Bastelkiste lag ein großer, alter Widerstand von Siemens. Er hat 200 Ohm, da hätten sie auch 5 Millisiemens draufschreiben können. Oder steht das da? Ich lese "5 Siemens und Halske", gemeint ist allerdings vielleicht eher 5 Watt. (Hinweis von Wolfgang Sump: Die 5 bedeutet 5% Genauigkeit, Hersteller Siemens)
Weil die rote Lackierung nicht die Seiten überdeckt, kann man die Kohleschicht sehen. Ein Test mit dem Ohmmeter zeigt etwas mehr als 200 Ohm, weil die Kontaktierung nicht so perfekt ist wie mit den Metallkappen. Das hat zu der Frage geführt, ob auch moderne Kohleschichtwiderstände rundrum mit einer Kohleschicht versehen sind.
Mit dem Seitenschneider etwas seitlich angesetzt kann man die Metallkappen eines kleinen Kohleschichtwiderstands entfernen. Und tatsächlich, die Kohleschicht umschließt das Keramikstäbchen vollständig.
In meiner Bastelkiste lag ein großer, alter Widerstand von Siemens. Er hat 200 Ohm, da hätten sie auch 5 Millisiemens draufschreiben können. Oder steht das da? Ich lese "5 Siemens und Halske", gemeint ist allerdings vielleicht eher 5 Watt. (Hinweis von Wolfgang Sump: Die 5 bedeutet 5% Genauigkeit, Hersteller Siemens)
Weil die rote Lackierung nicht die Seiten überdeckt, kann man die Kohleschicht sehen. Ein Test mit dem Ohmmeter zeigt etwas mehr als 200 Ohm, weil die Kontaktierung nicht so perfekt ist wie mit den Metallkappen. Das hat zu der Frage geführt, ob auch moderne Kohleschichtwiderstände rundrum mit einer Kohleschicht versehen sind.
Mit dem Seitenschneider etwas seitlich angesetzt kann man die Metallkappen eines kleinen Kohleschichtwiderstands entfernen. Und tatsächlich, die Kohleschicht umschließt das Keramikstäbchen vollständig.