Anleitung Roboterbausatz zum Experimentieren. Mobiles Multitalent Analog gesteuert Ohne Programmierung Für Einsteiger und Profis cm.
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- Frieda Marielies Zimmermann
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1 Anleitung Roboterbausatz zum Experimentieren Mobiles Multitalent Analog gesteuert Ohne Programmierung Für Einsteiger und Profis ALTER 1 GRÖSSE 1cm BAUZEIT 2-h TEILE 15
2 Einleitung Inhalt Wir freuen uns, dass Du Dich für diesen hochwertigen Roboterbausatz entschieden hast. tinobo eröffnet Dir einen neuen und spannenden Zugang zu analogen Verstärkerschaltungen. Bestimmt wirst Du mit tinobo lange Zeit Spaß und Abwechslung am Experimentieren und Tüfteln haben. Seine Sinneseindrücke gewinnt tinobo mit Hilfe von lichtempfindlichen Sensoren. Durch deren besondere Anordnung kann er präzise navigieren und sensibel auf sein Umfeld reagieren. tinobos Gehirnzellen zum Steuern der Motoren sind zwei Operationsverstärker, die über zahlreiche Steckplätze variabel mit Widerständen und Kondensatoren beschaltet werden können. Zwei weitere Operationsverstärker steuern tinobos Infrarot-LEDs. Damit kann er unterschiedlich auf Hindernisse reagieren und mit seinen Artgenossen kommunizieren. tinobo kann viel: Überraschende Fahrmanöver durch sensibles Reagieren auf Licht und Schatten Fernsteuerung mit Taschenlampen Folgen von unterschiedlichen Gegenständen Folgen von dunklen oder hellen Linien Interaktion mit anderen Robotern via Infrarot-Licht Ausweichen vor Hindernissen und Vermeiden von Kollisionen Kombinationen verschiedener Funktionen 1) Aufbau Alle erforderlichen Schritte sind detailliert beschrieben und mit zahlreichen Abbildungen dokumentiert: S. -5 Einführung zum Löten S. 6-8 Aufbau der Basisplatine S. 9 Funktionstest der Basisplatine S Aufbau der Steuerplatine S Vorbereitung und erste Inbetriebnahme 2) Experimente Die Experimentieranleitung zeigt Dir den Aufbau von drei Grundschaltungen, erläutert deren Funktions weise anhand von Diagrammen und bietet Dir Aufgabenstellungen für weiter führende Experimente an. Wir empfehlen Dir, die angegebene Reihenfolge einzuhalten und die Erläuterungen aufmerksam zu lesen: S Einführung zum Operationsverstärker S tinobo als Linienfolger S tinobo als Lichtfolger S tinobo in Interaktion S. 36 Sei kreativ Ausgehend von den drei Grundschaltungen kannst Du tinobos vielfältige und überraschende Verhaltensmuster erforschen und selbstständig komplexere Steuerungen verwirklichen. 2 3
3 Einführung zum Löten Hilfsmittel Lötkolben: 2 bis 3 W bzw. 3 bis 35 C Lötzinn:.5 bis.7 mm Durchmesser Die Vorgehensweise 1. Stecke die Bauteile an die markierte Stelle. Gelötet wird auf der anderen Seite der Platine. 2. Reinige die Lötspitze der Länge nach mit einem feuchten Schwamm. 3. Drücke die Lötspitze für ca. eine Sekunde gleichzeitig an das Lötpad und den Anschlussdraht des Bauteils, so dass beides gut erhitzt wird. Feuchter, hitzebeständiger Schwamm Evtl. Entlötlitze oder Absaugpumpe für Korrekturen. Führe nun Lötzinn zwischen dem Lötpad, dem Bauteildraht und der Lötspitze zu, ohne die Lötspitze wegzunehmen. Verwende nur soviel Lötzinn, dass das ganze Lötpad davon bedeckt ist. 5. Bleibe mit der Lötspitze noch etwa eine Sekunde an der Lötstelle, bis das aufgebrachte Lötzinn gut verteilt ist, so dass sich ein silbrig-glänzender Kegel rund um den Draht bildet. 6. Kürze zu lange Drahtstücke anschließend mit einem kleinen Seitenschneider. Tipps Ausreichend lange erhitzen und nicht mit dem Lötkolben tupfen Nicht zu lange aufheizen das Löt zinn wird sonst klebrig Richtig Wenn es mal nicht geklappt hat: Lötzinn mit Lötzinnsauger oder mit Entlötlitze absaugen und nochmal frisch anfangen. Beim zweiten Mal klappt s besser! Falsch Falsch Nicht zu viel Lötzinn, sonst gibt s dicke Klumpen 5
4 Aufbau der Basisplatine 1. Löse zwei 1 Ω Widerstände mit dem Farbcode aus dem Band und knicke deren Anschlussdrähte direkt am Widerstandskörper um 9. Deren Einbaurichtung ist nicht relevant. 2. Löte die folgenden Komponenten in der angegebenen Reihenfolge entsprechend der Markierungen auf der Basisplatine ein: 2 x 1 Ω Widerstände R1 und R2 Halteblech H3 Schalter S1 (liegend) 2 x 2-polige Sockel für die LEDs L1 und L2 Ladebuchse J1 3. Drücke die Lötstifte (zum Anschluss der Motoren M1 und M2) mit der Spitze voran bis zum Anschlag in die Bohrungen der quadratischen Lötpads und verlöte diese auf der Unterseite. Löte die selbstrückstellende Sicherung F1 ein (flaches gelbes Gehäuse). Ihre Polarität ist nicht relevant.. Lege die Motoren M1 und M2 an die Lötstifte, so dass die [] Markierungen an den Motoranschlüssen und der Platine übereinstimmen. Schiebe die Motorhalterungen H1 und H2 entsprechend dem Aufdruck über die Getriebe der Motoren. Lege die kleinen Schraubenmuttern von oben in die Aussparungen der Motorhalterungen und verschraube diese von unten mit den kleinen Schrauben. Achte beim Verlöten der Motoranschlüsse darauf, den Kunststoff nicht zu beschädigen. 5. Platziere die Batteriehalter B1 und B2 und verschraube diese mit 2 Schrauben von oben und 2 Schraubenmuttern von unten. Achte beim Verlöten der Batteriekontakte darauf, diese ausreichend zu erwärmen (ca. 2 bis 3 Sekunden). Verwende zum Kürzen der Kontaktstifte eine entsprechend robuste Kneifzange. 6. Montiere die sechseckigen Abstandsbolzen mit Schrauben an den Kontakten [], [ ], MR und ML der Platine. Ziehe die Schrauben dabei gut fest. Fortsetzung auf der nächsten Seite 6 7
5 7. Setze den Kugelhalter schräg und durch leichtes Zusammendrücken ein. Drehe nun die Halterung um 9, so dass die offene Seite zur Mitte der Platine hin zeigt und setze danach die Stahlkugel ein. 8. Montiere die Reifen auf die Räder und stecke sie mit der flachen Seite voran auf die Motorwellen (Abflachung der Welle beachten). 12 mm K A 9. Kürze die Anschlussdrähte von der roten LEDs gemäß der maßstabsgetreuen Abbildung auf 12 mm. Stecke zwei dieser LEDs in die Buchsen für L1 und L2. Achte auf die richtige Polung. Das rechteckige Lötpad markiert die Kathode (K). Auf dieser Seite weist die LED eine Abflachung am Gehäuse und ein kürzeres Beinchen auf. Funktionstest der Basisplatine 1. Bestücke die Batteriehalter mit 1.5 V AAA- Batterien oder mit 1.2 V NiMH-Akkus. Damit fährt tinobo bis zu 5 Stunden. Akkus können über die Ladebuchse J1 mit Hilfe eines externen Ladegerätes mit Hohlstecker ( Ø 3.5 mm / 1.3 mm, max..9 A) geladen werden. Verwende immer gleich volle Zellen, um eine Überladung einzelner Akkus zu vermeiden. Achtung: Keinesfalls darf ein Netzteil mit konstanter Spannung zum Laden verwendet werden. Batterien dürfen generell nicht geladen werden. Beides kann zur Zerstörung der Zellen führen. 2. Schalte S1 ein (Schieber nach rechts), um zu testen, ob die LEDs L1 und L2 leuchten. Die LEDs L1 und L2 zeigen den entsprechenden Ladezustand der Batterieein heiten B1 und B2 an. Lade die Akkus nach Möglichkeit bereits bevor eine der LEDs (bei etwa.9 V pro Zelle) ganz aus geht. 3. Um den korrekten Einbau der Motoren z u testen, verbinde die Abstandsbolzen [] mit MR sowie [ ] mit ML z.b. mit je einem Stück Draht oder Lötzinn. Nach dem Einschalten am Schalter S1 sollte tinobo vorwärts fahren. Zum Vorwärtsfahren benötigt der rechte Motor an MR eine positive und der linke Motor an ML eine negative Spannung. 8 9
6 Aufbau der Steuerplatine 1. Platziere entsprechend der Abbildung vier 1-polige, vier 6-polige und sechs 8-polige IC-Sockel, sowie acht 2-polige Sockel. Achte beim Einbau der IC-Sockel auf die halbrunde Einkerbung. Wende die Platine z.b. mit Hilfe eines flachen Kartons auf den Sockeln und verlöte diese auf der Unterseite. 2. Löte danach den Schalter S2 (stehend) sowie die beiden 3-poligen Potentiometer P1 und P2 (veränderbare Widerstände mit je 1 MΩ) ein. 3. Stecke die beiden 8-poligen IC-Bausteine IC1 und IC2 nun entsprechend der kleinen halbrunden Aussparung in die IC-Sockel. Die IC-Beinchen falls nötig vorher auf einer flachen Unterlage etwas zusammenbiegen. Achtung: Wenn Du elektrisch geladen bist, können ICs (integrierte Schaltkreise) durch bloßes Anfassen zerstört werden. Um dich zu entladen ist es daher ratsam, zuvor ein geerdetes Metallgehäuse oder eine Heizung anzufassen. IC1 beinhaltet die beiden Operationsverstärker (dreieckige Schalt symbole) OP1R und OP1L zur Ansteuerung der Motoren. Diese bilden das Herzstück von tinobo. IC2 beinhaltet OP2R und OP2L zur Ansteuerung der Infrarot-LEDs.. Setze auf der Rückseite der Platine zwei 3-polige und zwei 2-polige Sockel an den markierten Stellen ein und verlöte diese auf der Oberseite. 5. Die 5 Fototransistoren (tinobos Lichtsensoren) haben ein transparentes Gehäuse mit einer roten Punktmarkierung und unterschiedlich langen Beinchen. Verlöte drei dieser Fototransistoren T1, T3 und T5 mit den Linsen nach außen gerichtet an den entsprechenden Markierungen. 6. Stecke die beiden restlichen, bereits gekürzten roten LEDs L2R und L2L in die 2-poligen Sockel. Achte dabei wieder auf die richtige Polung. 7. Setze schließlich die beiden Platinen so zusammen, dass die LEDs in die entsprechenden Bohrungen der gegenüberliegenden Platine passen. Verbinde die Platinen an den Abstandsbolzen mit Schrauben und ziehe diese wieder gut fest. 1 11
7 Vorbereitung und erste Inbetriebnahme 1. Schneide vom Schrumpfschlauch zwei 18 mm lange Stücke ab. Drücke dann die Schlauchstücke jeweils so zusammen, dass sich die eventuellen Knickkanten (in Abbildung a punktiert dargestellt) in der Mitte befinden und schneide das obere Ende etwa im 3 Winkel schräg ab. Im ursprünglichen Zustand a b ergibt sich dann ein V-Ausschnitt (Abbildung b). 12 mm 18 mm Stecke nun die Schlauchstücke mit dem V-Ausschnitt voran durch die Schlitze der Basisplatine auf die Sensoren T1 und T5, so dass die Linsen der Sensoren gerade noch zu sehen sind. Damit kannst Du später den Lichteinfall der Sensoren justieren. 2. Kürze von den verbleibenden beiden Fototransistoren T2 und T (rote Punktmarkierung) die Beinchen entsprechend der Abbildung. Stecke anschließend die beiden Sensoren durch die Schlitze der Basisplatine E C in die 3-poligen Sockel der Steuerplatine, so dass jeweils die zur Mitte gelegene Buchse frei bleibt und die gewölbten Linsen nach vorne gerichtet sind. 3. Trenne nun alle restlichen Widerstände (R) aus dem Band und knicke deren Anschlussdrähte direkt am Keramikkörper um 9. Überprüfe den Abstand (7.5 mm) und kürze danach die Anschlussdrähte entsprechend der Abbildung. R D C 7.5 K 7.5 A. Die Dioden (D) haben einen kleinen runden Glaskörper mit einem schwarzen Ring an der Kathode (K). Biege deren Anschlüsse vorsichtig mit einer kleinen spitzen Zange. 5. Kürze auch die Anschlussdrähte der blauen Kondensatoren (C) und der sechs Infrarot- LEDs (transparentes Gehäuse ohne rote Markierung) auf mm. K IR A 6. Sortiere folgende Widerstände (R) und Kondensatoren (C) in die Sortimentsbox, damit Du sie für Deine Experimente später immer griffbereit hast: Widerst. Farbcode Kondens. Bezeichn. Ω 1 nf 1nK 1 MΩ 22 nf 22nK MΩ 7 nf 7nK1.7 MΩ 1 nf µ1k1 1 MΩ 22 nf µ22k1 1 MΩ (Mega-Ohm) = 1 6 Ω 1 nf (Nano-Farad) = 1-9 F Die noch verbleibenden Bauteile kannst Du vorerst in einem der Folienbeutel aufbewahren. Fortsetzung auf der nächsten Seite 12 13
8 7. Die in der Abbildung dargestellte Testschaltung bietet Dir die Möglichkeit, die Geschwindigkeiten der Motoren bei Bedarf durch einen Vorwider stand anzugleichen. Für diesen Abgleich werden die Operationsverstärker OP1R und OP1L voll ausgesteuert. Nutze die 1-poligen Sockel, um die [] und [ ] Eingänge der beiden OPs entsprechend der Abbildung über je einen 1 MΩ Widerstand und eine Ω Widerstandsbrücke mit der Versorgungsspannung (quadratische Lötpads mit [] bzw. [ ] Markierung) zu verbinden. Der rechte Motor dreht vorwärts, wenn die Spannung am [ ] Eingang von OP1R kleiner als am [] Eingang ist. Der linke Motor hingegen dreht vorwärts, wenn die Spannung am [ ] Eingang von OP1L größer als am [] Eingang ist. 8. Verbinde entsprechend der Abbildung zunächst beide Motoranschlüsse MR und ML direkt über je eine Ω Widerstandsbrücke mit den Ausgängen von OP1R und OP1L. Schalte nun tinobo am Schalter S1 ein. Fährt er eine leichte Kurve, so ersetze die Ω Brücke vor dem schnelleren der beiden Motoren durch den.7 Ω Widerstand oder den 1 Ω Widerstand, so dass tinobo möglichst exakt geradeaus fährt. Dieser Widerstand bleibt dann für alle Schaltungen bestehen. 9. Kürze nun die Anschlüsse der beiden restlichen roten LEDs L1R und L1L entsprechend der Abbildung und biege diese an der punktierten Linie um 9 nach vorn (achte auf die richtige Polarität). Setze dann die beiden weißen LED-Fassungen auf und stecke die LEDs in die entsprechend beschrifteten Sockel. 17 mm a K A K b A Die beiden LEDs L1R und L1L sowie auch L2R und L2L zeigen Dir später an, wie stark die entsprechenden drei rechten bzw. linken Infrarot-LEDs (kurz: IR-LEDs) leuchten. Damit die LEDs L1R und L1L den Aufbau der jeweiligen Schaltungen nicht behindern, ist es ratsam, diese währenddessen abzunehmen. 1 15
9 Einführung zum Operationsverstärker U [V] 3 U [V] 3 Ein Operationsverstärker (OP) hat einen [ ] Eingang, einen [] Eingang und einen Ausgang sowie zwei Anschlüsse [/ ] für die Stromversorgung. Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem [] Eingang und dem [ ] Eingang. Weil diese Verstärkung jedoch für die meisten Anwendungen viel zu hoch ist, wird vor den [ ] Eingang ein Widerstand (R1) gesetzt und das Ausgangssignal Out über einen weiteren Widerstand (R2) an den [ ] Eingang zurückgeführt. Durch die Rückkopplung regelt der OP den Ausgang Out so, dass sich die Spannung am [ ] Eingang jener am [] Eingang angleicht. Im Diagramm beträgt die Versorgungsspannung (B2, B1) / 3 V. Bei Akkus wären es ca. / 2. V. Die Signale In, In und Out sind als Spannungspfeile bezogen auf GND ( V) dargestellt und stehen über den roten Balken in Zusammenhang. Beispielsweise ergibt sich für die Eingangsspannungen In = 2 V und In = 1 V die Ausgangsspannung Out = 1 V. Die horizontale Lage des Pfeiles In ist durch das Verhältnis der Widerstände R2/R1 (2MΩ/1MΩ) festgelegt und bestimmt die Verstärkung v der Schaltung folgendermaßen: a) Wird In z.b. um 1 V erhöht (und In konstant gehalten), so verringert sich Out um 2 V. In diesem Fall ergibt sich eine negative Verstärkung v = R2/R1 = 2. Diesen Zusammenhang wirst Du später für tinobo als Lichtfolger nutzen. b) Bleibt jedoch In konstant und wird stattdessen In um 1 V erhöht, so erhöht sich Out um 3 V. Die Verstärkung v = 1R2/R1 = 3 ist nun positiv. Diesen Zusammenhang wirst Du nun gleich für tinobo als Linienfolger nutzen. B2 GND B1 a) 1 V 2 In In R1 1M R1 In b) 1 V In R2 - Out R2 2M b) v=1r2/r1=3 a) v= R2/R1= Out b) 3 V a) 2 V 16 17
10 tinobo als Linienfolger Mit dieser ersten einfachen Schaltung kannst Du tinobo einer Linie folgen lassen. Die in Reihe liegenden Sensoren T2 und T liefern das Spannungssignal InM, welches durch OP1R und OP1L verstärkt wird und beide Motoren (rundes Schaltsymbol) ansteuert. 1. Adaptiere die Schaltung auf tinobo entsprechend dem Schaltplan ( bedeutet 2.2 MΩ, 1n bezeichnet die beiden 1 nf Kondensatoren). Zur einfachen Orientierung sind alle Steckplätze durch Buchstaben von A bis E und Ziffern von 1 bis 8 gekennzeichnet. Kontrolliere zur Sicherheit, ob die Komponenten entsprechend dem Schaltplan durch die Leiterbahnen der Platine verbunden sind. 2. Verwende einen hellen Untergrund mit gleichmäßiger und ausreichend starker Beleuchtung von oben. Achte darauf, dass kein unmittelbares Licht die Sensoren T2 und T beeinflusst. 3. Klebe mit dem schwarzen Isolierband eine gewünschte Fahrspur für tinobo auf den Untergrund.. Setze tinobo auf die Linie und los geht s! 5. Fährt tinobo nicht in der Mitte der Spur, so kannst Du T2 und T abgleichen. Fährt tinobo z.b. zu weit rechts auf der Linie oder verlässt diese gar, so bekommt der linke Sensor T2 zu viel Licht. Schirme diesen etwas ab, indem Du ihn weiter in der blauen Platine versenkst. Wenn nötig kürze etwas seine Anschlussdrähte. T InM T2 1M OP1R - 1M A B C 1M - OP1L 1M 1n M7 D M7 1n MR GND GND ML MR = [] > vorwärts MR = [ ] > rückwärts Das Licht von LED-Lampen oder Leuchtstofflampen hat einen geringen Infra- rot-anteil und ist für tinobos Sensoren kaum wahrnehmbar. ML = [] > rückwärts ML = [ ] > vorwärts 18 19
11 tinobo als Linienfolger 3 3 Erläuterungen Das Diagramm veranschaulicht den Zusammenhang des Sensorsignals InM und der Motorsignale MR und ML. Ein Fototransistor (Sensor) hat einen veränderlichen Widerstand, der bei zunehmender Helligkeit kleiner wird. Die beiden Sensoren T2 und T teilen die Versorgungsspannung je nach Helligkeitsverhältnis zwischen 3 V und 3 V auf. Befindet sich die schwarze Fahrspur eher unter dem linken Sensor T2, so trifft auf diesen z.b. nur halb soviel Licht wie auf T. An T liegen dann 2 V und an T2 V, wodurch sich für InM 1 V ergibt. InM (In) steuert die [] Eingänge beider OPs, so dass sich der rote (rechts) und blaue (links) Balken an dieser Stelle kreuzen. Die eingangsseitigen Enden der Balken (In ) sind für OP1R bei 3 V und für OP1L bei 3 V fixiert. Im Diagramm ergeben sich bei InM = 1 V die Ausgangsspannungen von 1.9 V für ML und 3 V für MR. OP1R ist übersteuert, weil seine Ausgangsspannung den Wert der Versorgungsspannung angenommen hat. tinobo fährt eine leichte Linkskurve, hin zur schwarzen Fahrspur. Für den Fall InM = V (dünne rote und blaue Linie) sind beide OPs voll ausgesteuert und tinobo fährt geradeaus. Die Verstärkung der Schaltung beträgt: v = 1 R(C7D7) / R(A6B7) = = 1.7 MΩ / 3.2 MΩ 2.5 Die 1 nf Kondensatoren verhindern sprunghafte Änderungen von MR und ML. Diese Dämpfung wird durch die Zeitkonstante T bestimmt: T = R(A6B7) C(E8) = 3.2 MΩ 1 nf = = Ω F =.32 s T InM T A6 1M B7 C7 D7 M MR ML GND 2 21
12 tinobo als Linienfolger 3 3 Aufgaben 1. Teste, wie sich tinobo bei unterschiedlich breiten Linien, Kreuzungen oder Abzweigungen verhält. 2. Bestimme jenen Bereich für InM, bei dem tinobo geradeaus fährt. (Dieser Totbereich verhindert, dass tinobo auf der Fahrspur hin und her schwingt.) Zeichne dazu im Diagramm zwei Linien für MR = 3 V und ML = 3 V ein und ermittle deren Schnittpunkte mit der vertikalen Linie. 3. Teste unterschiedliche Verstärkungen und Dämpfungen, indem Du die Widerstände R(A6), R(B7) oder R(D7) bzw. die Kondensatoren C(D8) variierst.. Lasse tinobo, anstatt Linien zu folgen, kleine dunkle Gegenstände vor sich her schieben. 5. Platziere T2 und T auf den inneren Steckplätzen der entsprechenden 3er-Sockel, um tinobo einer hellen Linie (z.b. Papierstreifen) auf dunklem Untergrund folgen zu lassen. Nutze die Tabelle und das leere Diagramm, um interessante Schaltungen festzuhalten bzw. zu analysieren T 1 A B C D P1 T T GND 22 23
13 tinobo als Lichtfolger Diese Schaltung bietet die Möglichkeit, tinobo mit Hilfe der drei Sensoren T1, T3 und T5 autonom navigieren zu lassen. Die beiden Sensorsignale InR und InL steuern über OP1R bzw. OP1L jeweils einen der Motoren. Da tinobo immer auf relative Lichtverhältnisse reagiert, findet er sich bei unterschiedlich starker Beleuchtung zurecht, ohne selbst Licht aussenden zu müssen. 1. Adaptiere die Schaltung entsprechend dem Schaltplan und stelle das Potentiometer (Poti) P1 mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers zunächst in die Mittelstellung auf etwa 5 MΩ. 2. Schalte tinobo ein und beobachte, wie er sich verhält. Justiere zunächst den relativen Lichteinfall der Sensoren, indem Du die beiden Schlauchstücke auf T1 und T5 verschiebst. tinobo folgt bei dieser Schaltung dem Licht. Dreht tinobo z.b. meistens nach rechts (der rechte Motor dreht rückwärts), so bekommt der rechte Sensor T5 zu viel Licht. Schiebe also den Schlauch etwas mehr über T5. Fährt tinobo gar nicht vorwärts, obwohl er freie Bahn hat, so schirme sowohl T1 wie auch T5 etwas mehr ab. Aber nicht zu viel! Sonst wird tinobo blind. 3. Beobachte nun, wie tinobo auf Licht und auf verschiedene Hindernisse reagiert. Welche Rolle spielt die Helligkeit und die Größe der Hindernisse? Welchen Einfluss hat das Poti P1? T5 InR T3 InL T1 1M P 1 1 M OP1R - A B C 1M - OP1L 7n D MR GND GND ML MR = [] > vorwärts MR = [ ] > rückwärts Wird P1 verringert (Poti nach links gedreht), so tendiert tinobo dazu, rückwärts zu fahren bzw. die Fahrtrichtung zu wechseln. Wird P1 erhöht, so fährt tinobo eher vorwärts und dreht evtl. weniger stark. ML = [] > rückwärts ML = [ ] > vorwärts 7n
14 tinobo als Lichtfolger 3 3 Erläuterungen Das Diagramm veranschaulicht Dir den Zusammenhang der Sensorsignale InR, InL und der Motorsignale MR, ML. In dieser Schaltung sind nun drei Sensoren T1, T3 und T5 in Reihe geschaltet, wodurch sich zwei Sensorsignale InR und InL ergeben. Im Falle des Diagramms sind alle 3 Sensoren gleich stark beleuchtet. Daher teilt sich die Versorgungsspannung auf alle Sensoren gleichmäßig auf (jeweils 2 V) und es ergeben sich für InR = 1 V und für InL = 1 V. Die beiden Sensorsignale InR bzw. InL (In ) steuern die [ ] Eingänge von OP1R bzw. OP1L. Die [] Eingänge (In) der beiden OPs sind durch die in Reihe liegenden Widerstände R(A2), P1, R(A2) bei 1.6 V und 1.6 V festgelegt. Über den roten und blauen Balken ergeben sich die Ausgangsspannungen MR = 2.9 V und ML = 2.9 V. tinobo fährt also bei gleichmäßiger Helligkeit mit nahezu maximaler Geschwindigkeit vorwärts. Je mehr Licht z.b. auf den rechten Sensor T5 trifft, desto weiter wandert InR gegen 3 V. Für InR = 2.6 V (dünne rote Linie) ergäbe sich z.b. eine Ausgangsspannung von.6 V für MR. Der rechte Motor würde langsam rückwärts laufen und tinobo nach rechts zum Licht hin drehen. Je größer P1 eingestellt wird, desto weiter wandern die Spannungen an den [] Eingängen auseinander und desto weniger stark reagiert tinobo auf Helligkeitsunterschiede. Die Verstärkung der Schaltung ist: v = R(D7) / R(A) = 2.2 MΩ / 1 MΩ = 2.2 Die Dämpfung wird bestimmt durch: T = R(A) C(D8) = 1 MΩ 7 nf = = Ω F =.7 s T5 InR T3 InL T A 1M 1M A A2 P1 A2 5M D7 D MR ML GND 26 27
15 tinobo als Lichtfolger 3 3 Aufgaben 1. Wie verändern sich InR und InL und folglich MR und ML, wenn T1 halb so stark wie T3 und T5 beleuchtet wird? 5. Teste unterschiedliche Verstärkungen und Dämpfungen, indem Du die Widerstände R(D7) bzw. die Kondensatoren C(D8) variierst. T Wie reagiert tinobo, wenn auf den Sensor T3 weniger Licht als auf T1 und T5 fällt? 3. Ermittle im Diagramm jenen Wert für P1, so dass tinobo bei InR = 2.6 V (und InL =.2 V) auf der Stelle dreht (MR = ML = 3 V). Zeichne dazu eine rote Linie mit den entsprechenden Endpunkten ein und ermittle deren Schnittpunkt mit der Reihenschaltung R(A2), P1, R(A2).. Wie groß müsste der Widerstand R(D7) gewählt werden, um dasselbe (MR = ML = 3 V) für P1 = 5 MΩ zu erreichen? Teste und vergleiche beide Varianten mit tinobo. Nutze die Tabelle und das leere Diagramm, um interessante Schaltungen festzuhalten oder zu analysieren. A B C D P T3 T GND 28 29
16 tinobo in Interaktion Die Ausgangssignale von OP1R und OP1L steuern nun mit Hilfe von OP2R und OP2L tinobos rechte bzw. linke IR-LEDs. 1. Erweitere die Schaltung wie im Schaltplan. Platziere die beiden 7 Ω (7R) Widerstände an den Positionen E9. 2. Stecke die sechs IR-LEDs (IR1R, IR2R, IR3R, IR1L, IR2L, IR3L) mit den Linsen nach außen gerichtet in die entsprechenden 2er-Sockel. 3. Stelle Poti P2 auf etwa 5 MΩ und Schalter S2 auf [=].. Schalte tinobo ein und überprüfe, ob die roten LEDs beim Vorwärtsfahren leuchten. Ihre Hellig keit gibt Aufschluss über die Leuchtstärke der entsprechenden drei IR-LEDs. 5. Beobachte, wann die LEDs an- bzw. aus gehen. Welchen Einfluss hat das Poti P2? 6. Wie reagiert tinobo, wenn er auf (reflektierende) Gegenstände zufährt? Versuche P2 so einzustellen, dass tinobo Gegenstände aufspürt, davor stehen bleibt (bis die IR-LEDs ausgehen) und dann abdreht und weiterfährt. T5 InR T3 InL 1M OP1R - A B C 1M P 1 1 M - 7n M7 1M D 1M M7 P 2 1 M MR 22n M7 OP2R - - E L1R L2R E9 E9 7R 7R IR1R IR2R IR3R IR_R S2 IR_L IR3L Befindet sich S2 in Stellung [=], so steuert OP2R die rechten und OP2L die linken LEDs. In Stellung [x] ist es genau umgekehrt. Je schwächer die Beleuchtung, desto stärker reagiert tinobo auf sein eigenes oder fremdes Infrarot-Licht. T1 OP1L ML OP2L M L2L L1L IR2L IR1L 7n 22n
17 tinobo in Interaktion 3 3 Erläuterungen Das Diagramm veranschaulicht Dir den Zusammenhang der Motorsignale MR, ML und der Spannungen an den IR-LEDs. IR_R = IR1RIR2RIR3R und IR_L = IR1LIR2LIR3L. Für die Inputs von OP2R und OP2L (In ) seien MR = 2 V und ML = 1 V angenommen. Die LED-Gruppen IR_R und IR_L liegen nun nicht (wie die Motoren) an V, sondern an 3 V bzw. 3 V. Es ergeben sich für IR_R = 3.8 V und für IR_L = 2.8 V. Da die IR-LEDs erst bei etwa 3 1 V = 3 V zu leuchten beginnen, sind die linken in diesem Fall aus. Die [] Eingänge (In) der beiden OPs sind durch die Reihenschaltung R(D2), P2, R(D2) bei.6 V und.6 V festgelegt. Je kleiner P2 gewählt wird, desto eher bleiben die LEDs an, wenn tinobo seine Geschwindigkeit verringert. Die Spannungen In an den [] Eingängen der OPs können getauscht (invertiert) werden, indem die Widerstände R(D2) nach R(D1) versetzt werden. MR ML M7 D D M7 D2 P2 1M 5M E7 M7 M7 E IR_R Weil die Operationsverstärker den Ausgangsstrom auf maximal 8 ma begrenzen, kann auf einen sonst üblichen Vorwiderstand verzichtet werden. An den IR-LEDs liegen bei voller Helligkeit etwa 3 1. V =.2 V. Sie sind also nur im Bereich zwischen 3 V und.2 V steuerbar. Die Verstärkung der Schaltung ist: v = R(E7) / R(D) =.7 MΩ /.7 MΩ = 1 Für die Dämpfung (Verzögerung) ergibt sich: T = R(D) C(E8) =.7 MΩ 22 nf 1 s 2 3 D2 1M 2 3 IR_L 32 33
18 tinobo in Interaktion 3 3 Aufgaben 1. Um mit MR die linken und mit ML die rechten LEDs zu steuern, entferne die Kondensatoren C(E8) und verlege die 1 MΩ Widerstände von D2 nach D3, so dass nun sowohl In wie auch In gesteuert wird. Bestimme im leeren Diagramm die Spannungen In, IR_R und IR_L für unterschiedliche Fälle:. Um die LEDs unabhängig von MR und ML mit S2 an oder aus zu schalten, bringe die Spannungen In entsprechend weit auseinander: z.b. R(D1) bzw. R(D2) = 1 MΩ und P2 = 1 MΩ z.b. MR = 3 V, ML = 1 V und P2 = Ω 2. Um alle 6 IR-LEDs gleichzeitig mit MR und ML zu steuern (IR_R = IR_L), ergänze die Schaltung mit 1 MΩ Widerständen an den Positionen D2. Bestimme im Diagramm wieder die Spannungen In, IR_R und IR_L (für Profis). 3. Stelle S2 auf [x], so dass die LEDs beim Rückwärtsfahren (anstatt beim Vorwärtsfahren) angehen. Erforsche tinobos Verhalten A B C D E P1 P2 S
19 Sei kreativ Du hast nun drei grundlegende Steuerschaltungen für tinobo kennengelernt und bestimmt auch schon mit einigen Varianten experimentiert. Vielleicht hast Du Dich dabei gefragt, wofür die restlichen Steckplätze verwendet werden könnten. Es würde den Rahmen dieser Anleitung jedoch sprengen, alle erdenklichen Schaltungsvarianten aufzuzeigen und im Detail zu erläutern. Darum möchten wir Dich ermutigen, eigene Ideen auszuprobieren, um tinobos Verhalten noch individueller zu gestalten. Versuche beispielsweise, in einer Schaltung alle 5 Sensoren zu kombinieren, so dass tinobo z.b. Hindernissen ausweichen und gleichzeitig kleinen (dunklen) Gegenständen in einem bestimmten Abstand folgen kann. Mit Hilfe der Dioden lassen sich unterschiedliche Verstärkungen kombinieren. Damit kannst Du erreichen, dass tinobo z.b. schnell vorwärts fährt, aber langsam wendet (oder umgekehrt). Durch den Einbau von weiteren Kondensatoren lassen sich tinobos Reaktionen auf sein Umfeld vielfältig variieren. Richtig spannend wird es schließlich, wenn Du die Gelegenheit hast, mehrere tinobos miteinander interagieren zu lassen. Sie weichen sich gegenseitig aus, fahren hintereinander her oder aufeinander zu und halten dabei einen gewissen Abstand zueinander. Durch eine geschickte Ansteuerung der IR-LEDs lassen sich kuriose und überraschende Szenarien beobachten. Viel Spaß dabei! Dein Tino Werner 36 37
20 Übersicht der Bauteile Elektronik 1 Schalter liegend (S1) tinobo on/off 1 Schalter stehend (S2) IR-Modus =/x 1 Sicherung rückstellend.9 A (F1) 1 Ladebuchse Ø 3.5mm/1.3mm (J1) 5 Fototransistoren (T1, T2, T3, T, T5) 6 IR-LEDs (IR1R - IR3R, IR1L - IR3L) 6 LEDs 5 mm (L1, L2, L1R, L2R, L1L, L2L) 2 Doppeloperationsverstärker (IC1, IC2) 1 Widerstand.7 Ω 1 Widerstand 1 Ω 2 Widerstände 7 Ω 2 Widerstände 1 Ω 6 Widerstände 1 MΩ 6 Widerstände 2.2 MΩ 6 Widerstände.7 MΩ 6 Widerstände 1 MΩ 2 Potentiometer 1 MΩ (P1, P2) 1 Widerstandsbrücken Ω 2 Kondensatoren 1 nf 2 Kondensatoren 22 nf 2 Kondensatoren 7 nf 2 Kondensatoren 1 nf 2 Kondensatoren 22 nf Dioden Mechanik 2 Platinen (Basis/blau, Steuerung/rot) 2 Getriebemotoren (M1, M2) 2 Motorhalterungen (H1, H2) 2 Batteriehalter für 2xAAA (B1, B2) 2 Räder & Reifen (Ø 32 mm) 1 Kugelhalter & Stahlkugel 1 schwarzes Klebeband 1 Halteblech für Kugelhalter (H3) Schrauben (.8 mm) & Muttern 1 Schrauben (m2.5 x 6 mm) 2 Schraubenmuttern (m2.5) Abstandsbolzen (m2.5 x 15 mm) 1 Schrumpfschlauch (3.2 mm) 1 Sortimentsbox & Schiebedeckel Lötstifte 12 Sockel 2-polig 2 Sockel 3-polig IC-Sockel 6-polig 6 IC-Sockel 8-polig IC-Sockel 1-polig 2 LED-Fassungen 38 39
21 Notwendige Hilfsmittel (nicht im Lieferumfang enthalten) SN 1 DE v Lötkolben und Lötzinn Kleine Zange Seitenschneider Kreuz- und Schlitz-Schraubendreher x AAA Akkus oder Batterien 21, Tino Werner, VARIOBOT Infos und Videos unter variobot.com VARIOBOT Inh. Tino Werner Mannheimer Straße Leopoldshafen, Germany Bitte zu beachten: Nur für Jugend liche über 1 Jahre geeignet. Benutzung unter Aufsicht von Erwachsenen empfohlen. Anleitung bitte vor Gebrauch lesen, befolgen und nachschlagebereit halten. Bitte Verpackung aufbewahren. Achtung! Bitte von Kindern unter 3 Jahren fernhalten. Erstickungsgefahr Durch Verschlucken kleiner Teile. Verletzungsgefahr Durch scharfe Spitzen und Kanten einzelner Bauteile. Technische Änderungen vorbehalten. Made in Germany
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