Das Messen der Drehzahlen von Otto-Motoren estaltet sich verleichsweise einfach, denn hier kann die Frequenz der Zündimpulse emessen werden; sie ist direkt pro- Modellbau- Drehzahlmesser mit optischem Sensor Von Paul Goossens Die in der Modellbau-Welt weit verbreiteten Verbrennunsmotoren müssen präzise einestellt werden, wenn sie ihre Stärken voll entfalten sollen. Eine wichtie Größe dieser Kleinmotoren ist ihre Drehzahl bei maximaler Leistun. Der hier vorestellte Drehzahlmesser arbeitet mit einem optischen Sensor, der auf den Propeller auserichtet wird. Einstellarbeiten an Modellbau-Verbrennunsmotoren haben nur dann schnellen Erfol, wenn eeinete Hilfsmittel verfübar sind. Dabei darf ein Drehzahlmesser nicht fehlen, der einfach handhabbar ist und auf Drehzahländerunen schnell und zuverlässi reaiert. Nur mit seiner Hilfe ist es mölich, den Motor auf maximale Leistun zu trimmen, ohne zeitraubende und kostspielie Versuche anstellen zu müssen. Auch das Verleichen verschiedener Motor-Konstruktionen ist ohne Drehzahlmesser ein recht unsicheres Vorhaben. Die meisten Einstellarbeiten an Modellbau-Verbrennunsmotoren erfordern ein hohes Maß an Erfahrun und Geschick, denn das Verhalten dieser Motoren hänt von vielen Faktoren ab. Als Beispiele seien hier nur die Zusammensetzun der Treibstoffe, die Bauformen der Glühkerzen und die Schalldämpfer-Konstruktionen enannt. Der Modellbau-Drehzahlmesser ist natürlich nicht nur zum Messen der Drehzahlen von Modellbau-Verbrennunsmotoren einsetzbar. Prinzipiell kann das Gerät jede Drehzahl messen, wenn der rotierende Körper mit einer Hell-Dunkel-Markierun (z. B. radialer weißer Balken auf sich drehender schwarzer Scheibe) versehen ist. Der optische Sensor erkennt die Hellikeitsschwankunen; die Drehzahl wird berührunslos emessen. Optischer Sensor Elektor /00
LED D SENSOR T SONNE SENSOR T 0-0 - Bild. Der Foto-Sensor reaiert auf die Hell-Dunkel-Änderunen, die der drehende Propeller verursacht. Bild. Auch das von den Propeller-Blättern reflektierte Licht einer LED kann den Foto- Sensor steuern. portional zur Drehzahl. Bei den im Modellbau einesetzten Glühkerzen- Motoren ist jedoch keine Zündun vorhanden, so dass diese Methode nicht anwendbar ist. Es muss nach einem anderen Verfahren Ausschau ehalten werden, das mölichst keine zusätzlichen Einbauten in das anetriebene Modell erfordert. Unnötier Ballast ist nicht erwünscht, insbesondere bei Flumodellen wird mit jedem Gramm eeizt. Die meisten Flumodelle werden mit Hilfe von Propellern anetrieben, die unmittelbar auf den Kurbelwellen der Motoren montiert sind. Die Propeller-Drehzahl ist hier identisch mit der Motor-Drehzahl. Wenn man einen optischen Sensor so in der Nähe des Propellers anordnet, dass die Propeller-Blätter Schatten auf den Sensor werfen, ist die Frequenz der am Sensor auftretenden Hell- Dunkel-Änderunen proportional zur Motor-Drehzahl (Bild ). Die beschriebene Methode setzt voraus, dass das Umebunslicht einiermaßen intensiv einstrahlt. Der Unterschied zwischen direkter Beleuchtun und Abschattun muss so roß sein, dass er vom Sensor erkannt wird. Falls das Umebunslicht nicht ausreicht, kann natürlich eine künstliche Lichtquelle zu Hilfe enommen werden. Geeinet ist zum Beispiel eine Infrarot-LED, die neben dem Sensor aneordnet ist und ihr Licht in Richtun des Propellers abstrahlt (Bild ). Wenn die Farbe der Propeller-Blätter nicht absolut schwarz ist, wird ein Teil des Infrarot-Lichts zum Sensor reflektiert. LED und Sensor bilden zusammen eine so enannte Reflex-Lichtschranke. Messmethoden Die Frequenz des vom Sensor elieferten Sinals ist direkt proportional zur Motor-Drehzahl. Ein Propeller mit zwei Blättern schattet den Sensor während jeder Motorwellen-Umdrehun zwei mal ab, bei einem Dreiblatt-Propeller eschieht dies drei mal, und so weiter. Aus der Frequenz der Hell-Dunkel-Änderunen kann follich auf einfache Weise die Anzahl der Motorwellen-Umdrehunen pro Sekunde errechnet werden. Normalerweise zeien Drehzahlmesser die Anzahl der Umdrehunen pro Minute an (RPM = revoluti- ons per minute); diese Zahl erhält man durch einfaches Multiplizieren mit dem Faktor 0. Konstante Messzeit Die Drehzahl der Motorwelle wird indirekt emessen, indem die Frequenz des Sensor- Sinals ermittelt und ausewertet wird. Für das Messen von Frequenzen stehen zwei Standard-Verfahren zur Wahl. Das erste Verfahren beruht darauf, dass die Anzahl der Ereinisse (hier: Impulse) während eines festen Zeitintervalls ezählt wird. Die Frequenz eribt sich aus der Beziehun Anzahl der ezählten Impulse f= Läne des Zeitintervalls Wenn die Zeitintervall-Läne s beträt, hat eine Messun nach dieser Methode eine Genauikeit von ± Hz. Die Motor-Drehzahl pro Minute erhält man, indem man die Frequenz f mit 0 multipliziert und durch die Anzahl der Propeller-Blätter dividiert. Wenn der Motor einen Zweiblatt-Propeller antreibt, eribt sich eine Genauikeit von ± Hz 0 / = ±0 RPM. Soll die Auflösun zum Beispiel RPM betraen (dies ist zwar unebräuchlich, die meisten Drehzahlmesser haben eine Genauikeit von 00 RPM), müsste die Messzeit auf die 0-fache Läne ausedehnt werden. Leider ist dies weni praktikabel, denn der Messwert würde im Abstand von ledilich zwei Minuten aktualisiert. Eine /00 Elektor
+V +V IC.D S D k R I R 8 IC BCB C 00n T BPW0 0Ω R T k R k T C 0u V R k R BCB 0k R R k IC.A R k k R D C 00n V 0k R0 k k R8 R IC = TLC IC = HC0 IC.B 8 IC.E 0 IC.F +V C EN C/ D D IC8 HCT0 R R0 R R R R R R LD HD-O a b c d e f 0 IC C 0 8 T k R C 0u R 8 RST P.0 P. P. P. IC P. 8C0 P. P. +V 0 C 00n P. P. P. P. P. P. P. P.0 8 IC.A IC.B IC.C D C/ C EN D 0 IC HCT0 R R R R R R8 R R0 00n LD HD-O a b c d e f 0 8 C EN C/ D D 0 IC HCT0 R R8 R R0 R R R R LD HD-O a b c d e f 0 8 BC k 0 C p X X MHz X C p S S D C/ C EN D IC HCT0 R R R R R R R R8 LD HD-O a b c d e f 0 D C/ C EN D IC HCT0 R R R R8 R R0 R R LD HD-O a b c d e f 0 IC 80 +V 8 +V +V 0 0 8 K +V 0V C 00n C 00n C C8 C C0 C IC IC IC IC IC8 00n 8 00n 8 00n 8 00n 8 8 00n 0 - Bild. Die Drehzahlmesser-Schaltun besteht aus dem Sensor-Teil, dem Mikrocontroller und der Messwert-Anzeie. solche Messwert-Träheit würde bei schnellen Drehzahländerunen leicht zu falschen Messerebnissen führen. Konstante Ereinis-Anzahl Das zweite Standard-Verfahren ist die Umkehrun des ersten: Gemessen wird die Läne des Zeitintervalls, das bis zum Eintritt einer festen Anzahl von Ereinissen (Impulsen) vereht. Die Frequenz erhält man hier aus der Beziehun Ereinis-Anzahl f= emessene Zeitintervall-Läne Dieses Verfahren hat bei niedrien Frequenzen eine hohe Genauikeit, mit steiender Frequenz werden die Erebnisse zunehmend unenauer. Die Auflösun hänt hier von der festeleten Anzahl der ezählten Ereinisse, der Genauikeit der Zeitmessun, der zu messenden Frequenz sowie im vorlieenden Fall von der Anzahl der Propeller-Blätter ab. Eine akzeptable Genauikeit im esamten Messbereich wird hier nur erreicht, wenn die Anzahl der Ereinisse (Impulse) hoch ist. Für niedrie Drehzahlen sind lane Messzeiten erforderlich, eine Eienschaft, die dieses Verfahren auch nicht als ideal erscheinen lässt. Kombiniertes Messverfahren Die voraneanenen Überleunen haben ezeit, dass weder die Methode mit konstanter Messzeit noch die Methode mit konstanter Ereinis-Anzahl für den beabsichtiten Zweck besonders eeinet ist. Das dritte Verfahren, von dem auch der Modellbau-Drehzahlmesser Gebrauch macht, ist eine Kombination beider Methoden; ihre Nachteile werden dadurch weit ehend umanen. Der Messvoran beinnt, sobald vom Sensor der erste Impuls eintrifft. Während eines Zeitintervalls von s wird die Anzahl der Impulse ezählt. Anschließend wird die Zeit emessen, die bis zum Eintreffen des nächsten Impulses vereht. Die Frequenz erhält man aus der Beziehun emessene Impuls-Anzahl f= emessene Zeit Aus dieser Beziehun ist ersichtlich, dass beide Variablen emessen werden; dadurch werden die Vorteile beider Methoden miteinander kombiniert. Elektor /00
Schaltun Die Drehzahlmesser-Schaltun (Bild ) besteht bei enauer Betrachtun aus drei Teilen: Aus der Sensor- Schaltun links oben im Bild, dem Mikrocontroller und der Messwert- Anzeie. Als lichtempfindlicher Sensor wird ein Foto-Transistor vom Typ BPW0 (T) verwendet. Die Basis dieses Foto-Transistors hat keinen äußeren Anschluss, es sind nur der Kollektor- und Emitter- Anschluss vorhanden. Die Leitfähikeit zwischen Kollektor und Emitter hänt von der Intensität des Lichts ab, das auf den Chip auftrifft. Opamp ICa ist so eschaltet, dass sich die am nicht invertierenden Einan (Pin ) lieende Spannun auf ca., V einstellt. Falls die Spannun diesen Wert übersteit, nimmt auch die Spannun am Opamp-Ausan zu, so dass sich die Spannun an der Basis von T ebenfalls in Richtun höherer Werte verschiebt. Der Strom durch Foto-Transistor T sinkt, und über Puffer T wird dem Spannunsanstie am nicht invertierenden Einan von ICa enteenewirkt. R, C und R bilden einen Tiefpass, der die Reeleschwindikeit dämpft. Der Tiefpass sort dafür, dass schnelle Impulsfolen nicht weereelt werden, wenn das Propeller-Blatt bei hohen Drehzahlen schnell aufeinander folende Schatten auf den Sensor wirft. Opamp ICb ist als Komparator eschaltet; er bereitet zusammen mit T das impulsförmie Sinal für die weitere Verarbeitun mit dem Mikrocontroller auf. Für die Messwert-Verarbeitun wird ein Mikrocontroller vom Typ 8C0 verwendet. Dieser Controller kam bereits mehrfach in anderen Elektor- Selbstbauprojekten zum Einsatz, so dass er hier nicht noch einmal beschrieben werden soll. Das verleichsweise einfache Controller-Proramm sort für das Zählen der Impulse, die Verarbeitun des Zahlenwerts und die Steuerun der Displays; es reaiert außerdem auf das Betätien der Drucktaster S und S. Da das Proramm im Flash-Speicher auf dem Controller-Chip unterebracht ist, entfallen das sonst übliche externe EPROM, der Adressen- Decoder sowie einie weitere externe Komponenten. Der Controller ist prorammiert, also sofort einsatzfähi erhältlich; für das Prorammieren in Eienreie steht die Drehzahlmesser-Software auf Diskette zur Verfüun. Die drei Inverter ICa, ICb und ICc puffern die Ausanssinale des Controllers, sie steuern die seriellen Schiebereister IC, IC und IC...IC8. Mit den Schiebereister- Ausänen sind (über Widerstände zur Stromberenzun) die Siebensement-Displays LD...LD verbunden. Für die Displays wird der Typ HD O-K empfohlen, denn die Hellikeit dieses Typs ist auch bei relativ niedrien Strömen noch voll ausreichend. Andere Low-Current- Typen mit emeinsamer Katode sind natürlich ebenfalls brauchbar; eebenenfalls müssen die Werte von R...R anepasst werden. Infrarot-LED D übernimmt die Funktion der Hilfsbeleuchtun, falls das Umebunslicht nicht ausreicht. Das Infrarot-Licht lässt sich mit Drucktaster S einschalten. Die Stromversorun der Schaltun ist völli unkompliziert. Die Spannun einer -V-Batterie wird von einem 80 (IC) auf V herabesetzt und stabilisiert, die stabilisierte -V-Spannun ist die Betriebsspannun aller Komponenten. Aufbau Für den Modellbau-Drehzahlmesser wurde eine doppelseitie Platine entworfen, Bild zeit das Platinen- Layout und den Bestückunsplan. Der Schaltunsaufbau ist nicht schwieri, wenn man die richtie Reihenfole einhält. Zuerst werden alle Bauelemente mit Ausnahme von D, R und den Siebensement-Displays auf der Platinen-Oberseite montiert. Für IC müssen an Stelle einer 8-Pin-DIL-Fassun zwei -Pin- SIL-Fassunen auf die Platine montiert werden. Anderenfalls sind einie Lötpunkte, die zu den Displays ehören, nicht mehr mit dem Lötkolben erreichbar. Der Fototransistor T und die LED D müssen so auserichtet werden, dass sie später durch die Gehäusewand nach außen raen können. Die überstehenden Enden der Anschlussdrähte von C, R, R und den SIL-Fassunen (IC) werden mölichst kurz abeschnitten. Wenn sie zu lan sind, behin- dern sie die spätere Montae der Displays. Zener-Diode D (Spannun, V) ist keine echte Zener-Diode, sondern es handelt sich um zwei in Reihe eschaltete ewöhnliche Dioden in einem emeinsamen Gehäuse. Die Polun ist deshalb anders als sonst üblich; die rinförmie Markierun kennzeichnet hier die Anode! Der Foto-Transistor BPW0 (T) hat die äußere Gestalt einer Standard-LED; der länere Anschlussdraht führt zum Kollektor. Der nächste Schritt ist die Montae der Siebensement-Displays. Wenn die Platine wie beschrieben bestückt wurde, sind alle Anschlusspunkte zuänlich, so dass die Montae problemlos verläuft. Zuletzt sind Diode D und Widerstand R an der Reihe. Die Anschlussdrähte werden rechtwinkli abeboen und anschließend so ekürzt, dass sie nicht oder nur sehr kurz durch die Platine hindurchraen. D und R müssen auf der Platinen-Oberseite verlötet werden, denn die Unterseite wird von den zuvor montierten Displays verdeckt. Den Kontakt mit der Unterseite stellt die Durchkontaktierun der doppelseitien Platine her. Die aufebaute Schaltun sollte in einem passenden und leichzeiti handlichen Gehäuse unterebracht werden. Die Platinen-Maße sind auf den Gehäuse-Typ EG0B von Bopla abestimmt, andere eeinete Gehäuse sind auf dem Bauteile-Markt ebenfalls erhältlich. Bedienun und Test Nachdem die Schaltun einer enauen Sichtkontrolle unterzoen wurde und eventuelle Lötfehler beseitit sind, kann der erste Test beinnen. Nach Anschalten der Batterie müssen auf allen Siebensement-Displays die mittleren Semente ( ) aufleuchten. Wenn der Sensor in die Nähe einer am Stromnetz aneschlossenen Glühlampe ebracht wird, müssen die Displays nach etwas mehr als einer Sekunde die Zahl 000 anzeien. Die Erklärun ist einfach: An der 0-Hz-Wechselspannun flackert die Glühlampe (für das menschliche Aue unsichtbar) mit der Frequenz 00 Hz. Die Anzahl der Propeller-Blätter ist nach Einschalten des Drehzahlmessers auf einestellt. Den anezeiten Wert errechnet der Mikrocontroller aus der Beziehun Frequenz in Hz 0 Drehzahl = Anzahl der Propeller-Blätter Bei der Frequenz 00 Hz ilt follich für den anezeiten Wert Drehzahl = 00 * 0 / = 000 /00 Elektor
HOEK HOEK HOBBY&FREIZEIT HOEK C R R0 R T R8 R T D R R R R T C S 0- (C) ELEKTOR D R C R R IC LD LD LD LD LD HOEK C C8 C C0 C IC IC IC8 IC IC R0 R R R R R R R R0 R R R R R8 R R R R R R8 R R R R R8 R R8 R R R R R R R R R0 R R R R0 T C X C C C IC C IC R R IC C C 0V +V K 0- S S Bild. Für die Schaltun wurde eine doppelseitie Platine entworfen, das Layout ist übersichtlich estaltet. Mit Taster S ( + ) kann die Anzahl der Propeller-Blätter erhöht werden, mit Taster S ( ) lässt sie sich niedrier einstellen. Der Mikrocontroller prüft die Taster-Zustände im Sekunden-Abstand, so dass die Reaktion bei sehr kurzen Taster-Betätiunen ausbleiben kann. Wird ein Taster läner edrückt, schaltet der Controller die Anzahl der Propeller-Blätter im Sekunden-Rhythmus aufwärts bzw. abwärts weiter. Während des Umschaltens erscheint auf den Displays die Anzeie X, wobei hier das X für die Anzahl der Propeller-Blätter steht. Wenn der Glühlampen-Test mit Erfol bestanden wurde, kann der Drehzahlmesser an einem Flumodell erprobt werden. Zuerst wird die Anzahl der Propeller-Blätter auf den zutreffenden Wert einestellt. Der Motor wird wie ewohnt estartet (hoffentlich auf sichere Weise!), und anschließend hält eine zweite Person das Flumodell fest. Der Sensor wird so vor den drehenden Propeller ehalten, dass die Blätter ihre Schatten auf den Sensor werfen. Der Drehzahlmesser darf unter keinen Umständen mit dem drehenden Propeller in Berührun kommen. Dies wäre äußerst efährlich, denn abebrochene umherflieende Teile können zu folenschweren Verletzunen führen! Bild. Das Foto zeit den Platinenaufbau auf der Oberseite, wie er im Text beschrieben ist. Wenn das Licht-Schatten-Verhältnis 8 Elektor /00
Bild. Die fünf Siebensement-Displays werden auf der Platinen-Unterseite montiert. Stückliste Widerstände: R = 0 Ω R,R,R,R,R,R,R,R = k R = k R,R0 = 0 k R = k R8 = k R...R = 80 Ω Kondensatoren: C = 0 µ/ V stehend C,C,C...C = 00 n C,C = p C = 0 µ/ V stehend Halbleiter: D = Z-Diode, V / 00 mw D = Infrarot-LED (z. B. LD) IC = TLP IC = 8C0-PC (prorammiert: EPS 0-)* ausreicht, erscheint die Drehzahl als Zahlenwert auf den Siebensement- Displays; sie wird im Abstand von unefähr einer Sekunde aktualisiert. Wenn die Anzeie ausbleibt, weil IC,IC,IC...IC8 = HCT0 IC = HC0 IC = 80 T = BPW0 T = BC T,T = BC Außerdem: K = Anschluss-Clip für -V-Batterie LD...LD = HD O-K S...S = Drucktaster, Arbeitskontakt X = Quarz MHz Gehäuse: z. B. BOPLA EG0B Platine EPS 0-* Diskette mit Quell- und Hex- Prorammcode: EPS 0-* * Platinen-Layout-Download unter www.elektor.de/dl/dl.htm, Bezusquellenhinweise siehe www.elektor.de/pcbs/pcbs.htm das Umebunslicht zu schwach ist, wird durch Drücken von S die Infrarot-LED eineschaltet. Der Drehzahlmesser muss so ehalten werden, dass das von den drehenden Propel- ler-blättern reflektierte Infrarot-Licht auf den Sensor fällt. Weitere Mölichkeiten Der Modellbau-Drehzahlmesser einet sich natürlich nicht nur zum Messen der Drehzahlen von Flumodell-Motoren. Grundsätzlich ist er universell einsetzbar, solane das drehende Objekt Hell-Dunkel-Änderunen verursacht. Die anezeite Drehzahl kann leicht in die zuehörie Hell-Dunkel-Frequenz umerechnet werden, wenn man den Drehzahlmesser auf sechs Propeller-Blätter einstellt. Auf der Anzeie erscheint dann die Frequenz multipliziert mit 0. Die Frequenz 00 Hz, mit der eine am 0-Hz-Stromnetz betriebene Glühlampe flackert, wird dann durch die Zahl 000 anezeit. Mit dem Modellbau-Drehzahlmesser können auch die Vertikal-Frequenzen von Computer- Bildschirmen emessen werden. Während der Messun soll der Bildschirm eine mölichst roße, helle Fläche darstellen. Wenn der Drehzahlmesser keinen Wert anzeit oder der anezeite Wert nicht plausibel ist, können andere Bildschirm-Einstellunen (Hellikeit, Kontrast) zum Ziel führen. (0)d /00 Elektor