collapse

* Benutzer Info

 
 
Willkommen Gast. Bitte einloggen oder registrieren. Haben Sie Ihre Aktivierungs E-Mail übersehen?

* Suchfunktion


* HMA

Autor Thema: Elektronische Gas-Brenner Zündung  (Gelesen 2121 mal)

0 Mitglieder und 1 Gast betrachten dieses Thema.

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #15 am: 04 Oktober 2017, 17:13:48 »
Zündsteuerung
Blockschaltbild
Anhand des Blockschaltbildes (Zeichnung 6) werden die Funktionen der wichtigsten Komponenten von links nach rechts beschrieben.
Für die Zündsteuerung wurde C-MOS-Technologie gewählt; sie kann demnach mit Versorgungsspannungen von 5 bis 15 V betrieben werden.
Wir sehen links einen der beiden Decoder eines integrierten C-MOS-Schaltkreises 4555 (…im Folgenden als IC’s bezeichnet).  Das IC1 (4555) besteht aus zwei so genannten 1- zu 4-Decodern.
Der erste Decoder hat die Aufgabe, den aus zwei Bit bestehende  Code der Turbinen-Betriebsart  in vier verschiedene  Steuersignale umzuwandeln.

                                                              Betriebsart-Code (2 Bit)
                          Gruppe 0:  Einzel-Brenner (adressierbar)      Code 00,   DEC1 Q0 
                          Gruppe 1:  Brenner 1 und 2                         Code 01,   DEC1 Q1
                          Gruppe 2:  Brenner 3 und 4                         Code 10,   DEC1 Q2
                          Gruppe 3:  Alle Brenner                               Code  11,  DEC1 Q3.

Im Testaufbau wird dieser Code mit einem 2 Bit-DIL-Schalter (S1) gebildet; im realen Betrieb wird der Betriebsart-Code durch den Mikro-Controller der Turbinensteuerung bereit gestellt.
Die Steuersignale an den Ausgängen Q1 und Q2 des Decoders 1 werden IC3 (4027) und das Signal vom Ausgang Q0 dem IC5 (4019)  zugeführt.
 IC 4027 besteht aus zwei so genannten J-K-Flip-Flops (kurz FF genannt). Diese beiden FF sind zu einem synchronen, binären Ring-Zähler zusammen geschaltet (Zeichnung 7).

Neben den jeweiligen Steuereingängen J und K verfügen die FF‘s über weitere Steuereingänge R (Reset) und S (Set) mit denen ihr Verhalten ebenfalls beeinflusst werden kann.

In der Betriebsart Gruppe 3  „Alle Brenner“, Code 11, hat das Signal am Ausgang Q3 des Decoders keine steuernde Funktion. So bildet der Ringzähler an den Ausgängen D1 und D2 der FF’s, im Takt fortlaufend die 2-Bit Adress-Codes der Brenner 1 bis 4. Diese Betriebsart kommt im realen Turbinenbetrieb nicht vor, sie dient lediglich dem Funktionstest.
Der Takt an den Eingängen C (Clock) der beiden FF’s mit einer Frequenz von 0,66 Hz wird durch  IC4, einem Timer 4047 erzeugt.
Liegt an den Eingängen B und A des Decoders 1 der Code  01, also Betriebsart „Gruppe 1“ an, so wird sein Ausgang Q1 „high“, bildet also eine logische 1 am Steuereingang R2 des zweiten FF, hierdurch wird dessen Ausgang D2 ständig auf „low“, also 0 gesetzt; der Ringzähler erzeugt nur noch fortlaufend die Adress-Codes der Brenner 1 und 2.
Ähnlich verhält es sich beim Code 10 der Betriebsart „Gruppe 2“, Ausgang Q2 wird „high“, und setzt über den Steuereingang  S2 den Ausgang D2 auf ständig „high“ (1); es werden nur die Adress-Codes der Brenner 3 und 4 erzeugt (Zeichnung 7a). 
In der Betriebsart „Gruppe 0“, Code 00 (Einzel-Brenner) wird Ausgang Q0 des Decoders 1 „high“ (1); er ist mit dem Steuereingang  Kb und über einen Inverter mit Steuereingang Ka des IC5 (4019) verbunden. Beim IC 4019 handelt es sich um ein umschaltbares 4-Bit Gate.
Wir nehmen in unserem Fall davon nur jeweils zwei Bit in Anspruch.

Wird durch das Steuersignal der Eingang Kb „high“ (1) und über einen Inverter des IC2 der Steuereingang Ka gleichzeitig „low“, also 0, schaltet das IC die vom Ringzähler kommenden Adress-Signale an seinen Eingängen A1 und A2 ab und schaltet stattdessen die, am DIL-Schalter (S2) eingestellte Brenner-Adresse der Eingänge B1 und B2 auf seine Ausgänge D1 und D2.
Im realen Betrieb wird die Adresse eines Einzel-Brenners ebenfalls vom Mikro-Controller der Turbinensteuerung erzeugt.
Das IC2 (4069) verfügt über sechs unabhängige Inverter, die an verschiedenen Stellen der Zündsteuerung zum  Signal-Invertieren Verwendung finden.

       Brenner-Adressen (2 Bit)
Brenner 1:      00
Brenner 2:      01
Brenner 3:      10
Brenner 4:      11

An den Ausgängen D1 und D2 des Gates IC5 liegen in Abhängigkeit von der Betriebsart die 2-Bit-Adressen der Brenner an. Im zweiten Decoder des IC1 (4555) werden die Adressen decodiert und die Zündimpulse  über die Ausgänge Q0 bis Q3 den einzelnen Brennern zu geleitet. Die Zündimpulse  werden im zweiten Timer des IC6 erzeugt und über einen Inverter (IC2) dem Steuereingang /E (Enable) zugeführt.
Die Zündfolge-Frequenz von 2 Hz wird im ersten der beiden Timer des IC6 (NE556) erzeugt und im zweiten Timer, als astabiler Multivibrator geschaltet (One-Shot-Generator), in Impulse von ca. 3 ms umgewandelt.
An die Ausgänge E, G, K und M des IC7 (4041) werden über eine max. 1 m lange Steuerleitung die vier Zündmodule angeschlossenen. IC7 dient als Leitungstreiber, sowie der Pegel-Anpassung.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #16 am: 05 Oktober 2017, 12:42:24 »
Testaufbau
Auf einem ausreichend großem Breadboard, auch  Steckboard oder einfach Experimentierboard genannt
(hier 2390 Kontakte) folgt der Aufbau dem Stromlaufplan (Zeichnung  8 ).
Das Board sollte über drei Reihen für integrierte Schaltkreise in Dual-Inline-Bauweise (DIL) und zur Vereinfachung der Verkabelung über entsprechende, parallel laufende Reihen für die Versorgungsspannung verfügen.
Die u.U. mehreren Versorgungsspannung  werden über seitlich liegende  Steck-und Klemmanschlüsse für Labor-Leitungen mit 4 mm Bananenstecker zugeführt.
Die Spannungsversorgung erfolgt durch  Labor-Netzgeräte.

Zuerst positionieren wir die IC’s gemäß Stromlaufplan. Der Stromlaufplan ist weitgehend Leitungsweg optimiert und folgt in der Anordnung der Bauelemente nicht unbedingt dem Blockschaltbild, das dem besseren Verständnis der einzelnen Funktionen dienen soll.
Wir positionieren demnach  IC4, IC6 und IC2 in der unteren Reihe und lassen zwischen ihnen einigen Raum für die diskreten Bauelemente, wie Einstell-Potentiometer, Widerstände, Kondensatoren und Dioden (siehe Bild 9).
Bei den Einstell-Potentiometern empfehlen sich stehende Präzisions-Spindelpotentiometer  mit 25 Gängen und oben liegender Einstell-Schraube. Bei den verwendeten Widerständen ist eine Leistung von 0,25 W ausreichend, die Kondensatoren sind in der Regel in Metall-Folien-Ausführung  für Spannungen von 60 oder 100 V.
In der mittleren Reihe positionieren wir IC3, IC5, IC1 und IC7. Zwischen IC5 und IC1 legen wir die DIL-Schalter S2 und S1. Im Allgemeinen genügt zwischen den IC’s ein Abstand von einer Kontakt-Reihe, da hier bis auf die Pull-Down-Widerstände der DIL-Schalter und des Leitungstreibers (IC7) keine diskreten Bauelemente zum Einsatz kommen. Zwischen den DIL-Schaltern sollte allerding ausreichen Raum zur Bedienung bleiben.
Bei den Verbindungsleitungen handelt es sich um verschieden farbige Breadboard-Jumper mit beidseitigen Steckern (Male to Male) in drei Längen. Sie sind, wie das Breadborard für kleines Geld z.B. bei Amazon erhältlich.  Zumindest die kurzen Verbindungen zwischen den Anschlüssen der IC’s werden durch gebogene Brücken aus blankem Schaltdraht gefertigt.
Die obere Reihe bleibt der späteren Unterbringung der vier Zündmodule vorbehalten.

Damit wir nicht den Überblick verlieren oder das fragile Gebilde wieder zerstören, verdrahten wir die einzelnen IC’s nacheinander. Nach der Verdrahtung verbinden wir sie mit den entsprechenden Testeinrichtungen (z.B. Speicher-Oszillograph) und schließen sie provisorische an die Versorgungsspannung an. 
Wir überprüfen ihre Funktion und stellen ggf. die geforderten Werte ein.  Nach erfolgreicher Funktionsprüfung trennen wir die Versorgungsspannung und fahren mit der Verdrahtung des nächsten IC fort; wir verbinden es ggf. mit den vorherigen IC’s und prüfen ihr Zusammenspiel,  usw. usw.

Wir beginnen also mit der Verdrahtung des IC4 (4047). IC 4047 arbeitet hier als astabiler Multivibrator (Rechteck-Signal-Generator).
Das Ausgangssignal ist symmetrisch mit einem Tastverhältnis von 50% und liegt an den Ausgängen Q (10) bzw. /Q (11) an.
Die Ausgangsfrequenz von 0,66 Hz wird durch die Zeitkomponenten C = 3,3 μF und R = 250 kΩ bestimmt.
R ist als einstellbares Trimm-Potentiometer ausgelegt. Wir schließen den Oszillographen (Zeitbasis 500 ms/T) an Anschluss 10 des IC an, verbinden die Schaltung durch einen Jumper mit der Versorgungs-Spannung und stellen möglichst genau 666,6 mHz ein (Bild 006).
Wir trennen die Versorgungs-Spannung und verdrahten das IC6 (NE556). Das IC NE556 ist ein Zweifach-Timer.
Der erste Timer arbeitet im Oszillator-Betrieb. Seine Frequenz von 2 Hz und das Impuls-Pausenverhältnis von etwa 2 : 1 werden von den Widerständen 100 kΩ , 150 kΩ, sowie dem Trimm-Potentiometer 200 kΩ und dem Kondensator 1,5 μF bestimmt (Bild 007).
Der zweite Timer arbeitet als One-Shot-Generator (astabiler Multivibrator) und erzeugt durch den Widerstand 10 kΩ, das Trimm-Potentiometer 100 kΩ und den Kondensator 82 nF, Impulse von ca. 3 ms.
Der One-Shot-Generator wird durch die fallenden Flanken des invertierten (IC2) Ausgangssignals  von Timer 1 über ein Differenzier-Glied (22 nF, 10 kΩ) getriggert (Anschluss 8 ).
 
Das Bild 008 zeigt die, mit dem Poti 200 kΩ eingestellte Frequenz von 2 Hz (Anschluss 5) auf dem Kanal 1 (gelb) invertiert und die, mit dem Poti 100 kΩ eingestellten Impulse (Anschluss 9)  auf Kanal 2 (blau). In der Klammer die jeweiligen Anschlusspunkte der Tastköpfe des Oszillographen.

Zum Invertieren des Ausgangssignals von Timer 1 haben wir das IC2 (4069) bereits teilverdrahtet und mit der Versorgungsspannung verbunden.

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #17 am: 06 Oktober 2017, 10:01:18 »
Bevor wir mit der Verdrahtung der IC’s der mittleren Reihe beginnen, montieren wir die vier Pull-Down-Widerstände und Schaltdrahtbrücken an den beiden DIL-Schaltern S1 und S2.
Die Funktion von IC3 (4027) wurde bereits bei der Erläuterung des Blockschaltbildes beschrieben. Um seine Funktion zu testen muss allerdings  der erste Decoder von IC1 (4555) und der DIL-Schalter S1 vorverdrahtet werden.
Die Frequenz des Rechteck-Signals am Ausgang D1 des Ringzählers hat unabhängig von der eingestellten Betriebsart 333,3 mHz, also die halbe Taktfrequenz. Die Breite der Rechteck-Halbwellen bildet mit ihrer Länge von 1,50 Sekunden die Zünd-Zeit pro Brenner (Bild 009).
Wie Bild 009 ebenfalls verdeutlicht, werden in der Zünd-Zeit von 1,5 s (Kanal 2, blau) drei Zünd-Impulse generiert (Kanal 1, gelb); sie sollen möglichst gleichmäßig über die Zeit verteilt sein.
Hierzu ist ein Gleichlauf  (Synchronlauf) der Taktfrequenz von 0,66 Hz und der Zündfolge-Frequenz von 2 Hz erforderlich.
Aus der fallenden Flanke der Taktfrequenz (IC4, Anschluss 10) generieren wir mit Hilfe des Differenzier-Gliedes C = 10 nF und R = 1MΩ einen negativen Synchronisier-Impuls; Diode D unterdrückt die positiven Impulse (Bild 010).
Um diesen Gleichlauf zu verdeutlichen,  habe Ich ein Raster über das Display gelegt (Bild 011).
Die Synchronisier-Impulse werden dem Reset-Eingang (Anschluss 4) des ersten Timers von IC6 (NE556) zugeführt; sie setzen den Timer im Takt von 1,5 s (Zünd-Zeit-Zyklus) zurück.
Durch ggf. leichtes Nachtrimmen der Frequenzen wird sichergestellt, dass der Synchronisier-Impuls noch kurz vor einer fallenden Flanke der Zündfolge-Frequenz wirksam wird; triggert er zu früh, geht das Signal wieder auf „high“ zurück und es entsteht durch Austastung ein störender Impuls, triggert er zu spät, trifft er auf den Signal- Zustand „low“ und bleibt ohne Wirkung. Die richtige Einstellung mit perfekter Synchronisation zeigt Bild 012.
Die Verdrahtung der restlichen IC’s dürfte keine Probleme bereiten und es sind keine weiteren Einstellungen erforderlich.
Nach Beendigung der Verdrahtungs-Arbeit wird die Zündsteuerung auf korrekte Funktion der verschiedenen Betriebsarten, sowie die Einstellung der Brenneradressen bei der Betriebsart Gruppe 0 „Einzel-Brenner“ geprüft. Die Bilder 013a bis 016b zeigen einige Oszillogramme zur End-Kontrolle der Zünd-Steuerung.
Die Stromaufnahme bei 12 V Betriebsspannung beträgt < 30 mA.

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #18 am: 06 Oktober 2017, 10:04:02 »
Bild 013a,     Betriebsart    Gruppe 3:   „Alle Brenner“          Code  11,  DEC1 Q3.
Bild 013b,     … wie oben, jedoch bei Betrieb mit Versorgungsspannung 5 V.
Bild 014,       Betriebsart    Gruppe 2:   „Brenner 3 und 4“    Code 10,   DEC1 Q2.
Bild 015,       Betriebsart    Gruppe 1:  „Brenner 1 und 2“     Code 01,   DEC1 Q1.
Bild 016a/b,  Betriebsart    Gruppe 0:  „Einzel Brenner“        Code 00,   DEC1 Q0.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #19 am: 06 Oktober 2017, 13:27:07 »
Zum Abschluss des ersten Teils dieses Betrags noch eine Anmerkung zu den Oszillogrammen.
Sie wurden mit einem Digitalen Zwei-Kanal Speicher Oszilloskop 50 MHz erstellt. Ich habe es bereits bei der Beschreibung meines Elektronik-Labor-Platzes erwähnt.
Dieses Oszilloskop ist über USB mit meinem PC verbunden und ich kann die übermittelten Oszillogramme oder Videos mit einem Bild- bzw. Video-Bearbeitungsprogramm bearbeiten und kommentieren.
Es ist zweifellos von großem Vorteil, die Form und den zeitlichen Verlauf elektronischer Signale und alle notwendigen Messwerte in Real-Zeit darzustellen und bei Einstellarbeiten die Veränderung unmittelbar zu beobachten.
Mir ist klar, dass die meisten Modellbauer weder über einen eigenen Oszillographen verfügen noch die Möglichkeit haben, einen zu nutzen. Wer die Investition von einigen hundert Euro scheut, dem bieten sich allerding  äußerst zweckmäßige Alternativen.
 Ohne nennenswerte Einschränkungen bei den technischen Leistungsmerkmalen bieten sich die wesentlich preiswerteren USB-Oszilloscope an. Sie sind ab etwa 60,- € zu haben (z.B. Hantek 6022BE bei Amazon) und werden mit dem vorhandenen PC verbunden. Ihre Software gestattet eine recht komfortabel Bedienung über die Tastatur bzw. Maus.
Ist das Budget noch schmaler, sollte man aber mindestens ca. 15,- € für einen 8-Kanal-Logic-Analyzer investieren (Amazon); er wird ebenfalls über eine USB-Schnittstelle mit dem PC verbunden.
Die erforderliche Software (Saleae 1.2.14) kann kostenlos herunter geladen werden. Die bis zu acht digitalen oder analogen Signale werden zwar nicht in Echtzeit dargestellt, sondern der Signal-Verlauf eines festlegbaren Zeitraums wird gespeichert und zur Analyse bzw. zum Messen auf dem Bildschirm dargestellt.
Bild 10 zeigt das Experimentier-Board mit dem Analyzer und seinen Signal-Anschlüssen, 
Bild 17a/b einen Screen-Shot der Bildschirm-Darstellung im Original und als Negativ, mit einigen Hinweisen zum Messen.

Über den Testaufbau 06 (…wie 05, jedoch mit vier Zündmodulen.) berichte ich zu einem späteren Zeitpunkt; außerdem ist ein Video geplant.

Bis bald!
Euer Turbo-Georg
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #20 am: 16 Januar 2018, 12:07:21 »
Liebe Modellbaufreunde,
ich bin in der Zwischenzeit hinsichtlich der elektronischen Steuerung einer direkt geheizten Modell-Dampfturbine keineswegs untätig gewesen.
Ich habe für den oben beschriebenen Gegentaktwandler, sowie die Zündsteuerung   Leiterkarten-Layouts entworfen, davon Filme für die Belichtung erstellt, die belichteten Leiterkarten geätzt, zugeschnitten, gebohrt und mit Schutzlack versehen. Danach die fertigen Platinen mit Bauelementen bestückt, ihre Funktion getestet, die vorgegebenen Werte eingestellt und in Schutzgehäuse (IP65) eingebaut. Bild 11 zeigt diese Einbauten.

Hier nun die Beschreibung der Arbeiten im Einzelnen.

Für den Entwurf der Platinen-Layouts wurde das CAD-Programm KiCad verwendet; es steht im Internet kostenlos zum Download zur Verfügung. 
  http://kicad-pcb.org/download/

Das, auf dem WxWidgets-Framework basierende CAD-Suite zum Erstellen elektronischer Schaltpläne und Leiterplatinen mit bis zu 16 Ebenen, besteht aus vier einzelnen Tools:
Eeschema zum Bearbeiten von Schaltplänen,
Pcbnew zum Bearbeiten des Layouts für Leiterplatinen,
Gerbview zum Austausch von Daten im Gerber-Format und Cvpcb,
 sowie einem Grundmodul mit integrierter Projektverwaltung (Kicad).

Zuerst werden die Stromlaufpläne gemäß der o.a. Zeichnungen 4 und 8 in ein von KiCad lesbares Format gebracht. Hierzu verwendet man den Schaltplaneditor Eeschema mit seiner umfangreichen Bauteil-Bibliothek. Mit einem Bibliothek-Editor können vorhandene Bauteile bearbeitet oder neue Bauteile erstellt werden.
Vorher muss jedoch ein neuer Projektordner eröffnet werden. Unter dem Namen des Projektes werden alle zukünftig erstellten KiCad-Dateien abgelegt.

Die Bilder 12 und 13 zeigen die KiCad-Schaltpläne des Gegentaktwandlers und der Zündsteuerung. Nach Fertigstellung des jeweiligen Schaltplans werden ggf. automatisch alle Bauteile durchnummeriert und ein Check bezüglich der Einhaltung der elektrischen Regeln durchgeführt.
Ist alles in Ordnung, werden durch Aufrufen des Moduls CvPcb den Schaltplansymbolen  entsprechende Footprint-Layouts (Leiterbild, Bestückungsplan, ggf. Beschriftung usw.) zugeordnet. Durch NET wird eine Netzliste erstellt, die alle elektrischen Verbindungen beschreibt.
Nach dem Start des Leiterkarten-Designers wird die aktuelle Netzliste eingelesen. Auf dem Designer-Bord erscheinen die Footprints aller Bauteile als Cluster (Bündel bzw. Traube).
Zum besseren Überblick werden die Bauteile zuerst auf dem Bord vereinzelt und danach eine erste räumliche Zuordnung vorgenommen. Durch dünne Netzlinien werden die Verbindungen zwischen den Bauteilen dargestellt, sie unterstützen eine optimale Platzierung bzw. erleichtern das Routing (Verlegen der Leiterbahnen).

Mit den Mitteln des Modellbauers werden vermutlich Platinen-Layouts mit lediglich einer Leiterbahnebene (Layer) zu realisieren sein. Schwer oder nicht zu routende Verbindungen können allerdings beim Entwurf auf weitere Layer verlagert werden. Sie werden später durch Drahtbrücken auf der Löt- bzw. Bestückungsseite nachgebildet.
Bild 14 zeigt das vergleichsweise einfache Platinen-Layout des Gegentaktwandlers mit den Leiterbahnen und den Footprints der Bauteile.
Wie ihr seht, können Breite und Abstand der Leiterbahnen entsprechend der Stromstärke und der Spannung ebenso über die Design-Regeln festgelegt werden, wie die Größe der Löt-Pads und deren Bohrungen.
KiCad unterstützt auch eine 3D-Darstellung der bestückten Platinen. Die Bibliothek verfügt allerdings nicht für sämtliche Bauteile über entsprechende Darstellungen und beschränkt sich dann auf die Abbildung der Footprints. Bild 15 zeigt die 3D-Darstellung der Platine des Gegentaktwandlers daher nur teilweise bestückt.
In Bild 16 seht ihr die Druckvorlage für den Belichtungs-Film.

Falls Interesse besteht, würde ich auch gerne für Neueinsteiger in einem der nächsten Beiträge mit einem kleinen Tutoriell auf die Entwicklung von Leiterkarten mit KiCad eingehen.

In Kürze mehr. 
 
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #21 am: 18 Januar 2018, 14:50:06 »
Wie uns der Stromlaufplan der Zündsteuerung im Bild 13 verrät, ist hier der Entwicklungsaufwand im Gegensatz zum Gegentaktwandler deutlich höher.

Um sich die Arbeit später etwas zu erleichtern, sollte man bereits bei der Erstellung des KiCad-Stromlaufplans versuchen, die Schaltplansymbole so anzuordnen, dass sich möglichst kurze Verbindungen mit möglichst wenig Überkreuzungen ergeben; das gilt besonders für Bauteile mit vielen Anschlüssen, wie z.B. IC’s.
Das verbessert nicht nur die Übersichtlichkeit, sondern dient auch der ersten Orientierung bei der Bauteilanordnung auf dem Bord des Leiterkarten- Designers.

In der Bauteil-Bibliothek des Schaltplan-Editors Eeschema sind auch ähnliche Bauteile nicht unbedingt in gleicher Weise und in gleicher Form dargestellt.
Vergleicht hierzu die Darstellung des IC 1 (4047) im Stromlaufplan Bild 12 mit der Darstellung des IC 4 im Stromlaufplan Bild 13, ebenfalls ein 4047.

Ich habe mit dem Bibliothek-Editor die Darstellung aller IC’s des Stromlaufplans Bild 12 auf ihre natürlichen Form als DIL14 oder DIL16 (Dual In-Line, deutsch: zweireihiges Gehäuse) vereinheitlicht.
Die Anschlüsse der Versorgungsspannung (VDD = Plus, und VSS = Minus) sind wegen der Übersichtlichkeit verdeckt und werden später zum Routing automatisch in die Netzliste übernommen.
Bild 17 zeigt das Platinen-Layout der Zündsteuerung komplett mit allen Lagen und allen Elementen, Bild 17a den KiCad-Bestückungsplan und Bild 18 die entsprechende 3D-Darstellung.
Ihr seht, dass die Anordnung der IC’s in etwa mit der Anordnung des Stromlaufplans Bild 13 übereinstimmt; bis auf die Ausnahme, dass die Positionen von IC 2 und IC 6 in der unteren Reihe zur Erleichterung der Leiterbahnführung getauscht wurden.
Diese weitgehende Übereinstimmung der Positionen erleichtert die Funktionsprüfung bzw. die Fehlersuch an Hand des Stromlaufplans erheblich.
Zwischen den IC-Reihen und zum Teil auch zwischen den IC’s der unteren Reihe wurden die diskreten Bauteile angeordnet;  in der Regel mit mehrfacher Positionsänderungen zur Optimierung des Routings.

Bei Platinen mit einer Ebene (Layer), also aus einseitig Kupfer kaschiertem Material hergestellt, wird durch die Zuführungen der Versorgungsspannung (VDD und VSS) zu den einzelnen IC’s, aber auch zu einigen diskreten Bauteilen,  das kreuzungsfreie Verlegen der Leiterbahnen (Routen) zusätzlich erschwert oder gar unmöglich.
Es ist daher empfehlenswert, diese Zuleitungen auf der Bestückungsseite durch handelsübliche Stromschienen oder einfache Drahtbrücken aus Schaltdraht nachzubilden (Bild 17b). Damit auch diese Verbindungen in die Netzliste aufgenommen werden können, sind hierzu im Schaltplan entsprechende Draht-Lötpunkte mit ihren Anschlüssen vorzusehen (Bild 13, rechts).
In Bild 19 sehen wir diese, in der Bauteil-Bibliothek des Schaltplan-Editors Eeschema als „wire-pads“ bezeichneten Lötpunkte mit ihren Verbindungen im Layout der Leiterbahnen.

Um diese Verbindungen auf dem Bord des Leiterkarten-Designers  routen zu können, verlegen wir sie „pro forma“ auf die rückseitige Kupferlage der Platine (B.Cu); im Layout 2 (Bild 17) als dicke, weiße Linien zu erkennen.
Auf dem gleichen Layer werden auch einige andere, schwer zu routende Verbindungen verlegt (… dünne, weiße Linien).
Ähnlich verhält es sich mit den „pro forma“-Verbindungen auf den zwei internen Lagen (In1.Cu und In2.Cu), sie sind zur besseren Unterscheidung als dünne Linien in Grün und Magenta dargestellt. Alle durch dünne Linien (Weiß, Grün und Magenta) dargestellten Verbindungen werden auf der Lötseite später durch Drahtbrücken aus dünnem Fädeldraht gebildet (Bild 19a).
   
 Fädeldraht?   https://www.reichelt.de/reicheltpedia/index.php/F%C3%A4delstift

Mit der Plot-Funktion des Leiterkarten-Designers Pcbnew können verschiedene Ausgabeformate der Fertigungs-Dateien gewählt werden. Uns genügt das Leiterbahn-Layout der ersten Lage mit den Pads und ihren Bohrlöchern.
Wir wählen:
Plotformat PDF,
Bohrlochmarkierung klein,
Skalierung 1 : 1
 und markieren die Lage F.Cu.

Nach dem Kommando Plotten wird in der KiCad-Projekt-Übersicht eine PDF-Datei erstellt
Diese Datei kann man nach dem Aufruf ausdrucken oder als Screen-Shot in PAINT einfügen (Bild 20) und mit  einem Bild-Bearbeitungsprogramm als Filmvorlage bearbeiten (Bild 21).

Bild 22 zeigt die bestückte Platine zur Funktionsprüfung auf dem Prüfstand. Wir erkennen die roten und blauen Drahtbrücken der Versorgungsspannung.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline s142

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 675
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #22 am: 18 Januar 2018, 23:24:53 »
Tach auch Georg

Wie immer verstehe ich nicht mal die Hälfte. :MLL:
Macht aber auch nichts. :MLL:
Ich habe noch Kontakt  zu den Dampfmaschinenbauern ( Franz Winter)
Es macht immer wieder Spass. :MG:

Beste Grüsse
>Chris

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #23 am: 19 Januar 2018, 12:23:30 »
Hallo, mein lieber Chris,
schön, mal wieder von dir zu hören. Ich hoffe dir geht es gut.

Grüß bei nächster Gelegenheit den Franz von mir.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #24 am: 20 Januar 2018, 12:56:07 »
Für die Funktionstests bzw. die Einstellarbeiten mit dem Oszillographen wurden im Schaltplan und somit auch auf der Platine vier feste Testpunkte (TP1 bis TP4) vorgesehen; hier werden 1-polige Stiftleisten eingelötet oder besser die 38 mm langen Einzelstifte von Stapelleisten.  Diese werden entsprechend zugeschnitten und die langen Enden mit einer kleinen Rundzange zu Ösen gebogen. So können die Klemmen der Tastköpfe nicht abrutschen.
Zur Signalverfolgung werden die Spitzen der Tastkopfe direkt auf die Kontakte der IC’s aufgesetzt.
Mit den Einstellern P1 bis P3 (Potentiometer) werden die, im Schaltplan an den zugehörigen Testpunkten TP1 bis TP3 genannten Werte eingestellt.

P1, Taktfrequenz 666,6 mHz (TP1),
P2, Zündfolgefrequenz 2Hz   (TP2),
P3, Zündimpulslänge 3 ms     (TP3).

Am TP4 kann die Zündzeit  1,5 s = 333,3 mHz abgegriffen werden.

Auch mit einiger Erfahrung und entsprechendem Spezialwerkzeug bleibt es schwierig defekte IC’s wieder auszulöten. Es besteht die Gefahr, dass dabei durch längere Hitzeeinwirkung die Platine zerstört wird, da sich die winzigen Lötpunkte oder die dünnen Leiterbahnen von der Platine ablösen. Eine Reparatur, z.B. mit Fädeldraht ist dann recht schwierig oder gar unmöglich. 
Bild 22 zeigt die IC’s auf eingelöteten Sockeln, diese gestatten deren schnellen und problemlosen Austausch.

Zum vorläufigen Abschluss noch ein paar Tipps zu Herstellung von Leiterkarten.

Für den Neueinsteiger oder wenn nur Hin und Wieder kleinere Platinen benötigt werden, genügt ein Einsteigerset zum Platinen entwickeln für gut € 10.-; es enthält alles was man für den Anfang benötigt.
https://www.reichelt.de/Aetzmittel-Entwickler/ENTWICKLUNGSSET/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=44573&GROUPID=7788&artnr=ENTWICKLUNGSSET&SEARCH=%252A

Es beinhaltet eine gut verständliche Gebrauchsanweisung und auch entsprechende Sicherheitshinweise.
Die darin genannten Hinweise zur Belichtung des Basismaterials gehen aber entweder von einer UV-Belichtung durch geeignete Lampen aus oder sie empfehlen Sonnenlicht bzw. normale Leuchtmittel.
Auf die Sonne zu warten erscheint mir gerade heute vergeblich. Die Verwendung normaler Leuchtmittel ist auch ziemlich ungeeignet; denn es dauert recht lange und das Ergebnis ist oft fragwürdig.
Wer die Investition von etwa € 200,- für ein kleineres Belichtungsgerät aus dem Fachhandel scheut, dem empfehle ich einen UV-Nageltrockner mit vier UV-Lampen von 9 W.

https://www.amazon.de/samLIKE-nagellampe-Lampe-Trockner-Manik%C3%BCre/dp/B078R1GXYQ/ref=sr_1_44?ie=UTF8&qid=1516377831&sr=8-44&keywords=uv+nageltrockner+lampe

Ich habe für € 10,- Versandkosten frei einen Nageltrockner bestellt und getestet (Bild 23); mit den Ergebnissen bin ich sehr zufrieden (siehe Bild 24).

Der Nageltrockner verfügt über einen eingebauten Timer mit 120 Sekunden Laufzeit. Zwei Timer-Abläufe von insgesamt 240 Sekunden reichen für die Belichtung des Basismaterials völlig aus. Eine Belichtung von etwa 220 Sekunden hat sich als ideal herausgestellt. Allerdings mit einer Einschränkung.

Die ausziehbare Bodenplatte hat eine Fläche 140 x 150 mm.
Diese Fläche stünde theoretisch zur Belichtung zur Verfügung, aber bei den seitlich angebrachten zwei UV-Röhren ist der Abstand zum Objekt zu gering und die Randbereiche der Platte werden überbelichtet.
Ich empfehle die seitlichen Lampen teilweise abzudecken (schwarzes Klebeband) oder nur den mittleren Bereich von 140 x 80 mm zu nutzen.
Aber bei € 10,- kein allzu großer Nachteil; dafür bekommt man sonst nur eine einzelne UV-Röhre.

Die Filmvorlagen für meine Platinen kennt ihr bereits (Bild 16 und Bild 21).
Diese Vorlagen werden mit einem Laser-Drucker auf handelsüblicher Kopierfolie gespiegelt ausgedruckt.
Gespiegelt deshalb, damit die Druckseite mit dem Toner auf der Fotoschicht des Objektes aufliegt; das verbessert das Ergebnis.
Drüber hinaus sollte nach der Entnahme aus dem Drucker der Toner durch ein- oder zweimaliges Besprühen mit so genannten „Vernetzer„ auf der Druckseite verdichtet werden (… im Fachhandel erhältlich).
 
Der „Film“ wird wie gesagt mit der Druckseite auf die Fotoschicht aufgelegt und mit einer nicht zu leichten Glasscheibe (aus Bilderrahmen 10 x 15 cm) abgedeckt.
Nach dem Belichten wird wie in der Anleitung beschrieben weiter verfahren.
« Letzte Änderung: 21 Januar 2018, 07:15:32 von Turbo-Georg »
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
  • *
  • Beiträge: 572
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
    • Eigene Modelldampfmaschinen und Modelldampfturbinen
Re: Elektronische Gas-Brenner Zündung
« Antwort #25 am: 20 Januar 2018, 19:40:02 »
Demnächst muss ich noch den zentralen Kabelverteiler konstruieren.

In ihm werden alle Leitungen zur Turbine und von der Turbine zusammen gefasst  und zu den Ein- bzw. Ausgabe-Pins des Mikrocontrollers oder entsprechenden Interfaces, der Zündsteuerung sowie der Stromversorgung geleitet.
Er beinhaltet auch die Optokoppler zur Potentialtrennung aller Zu- und Ableitungen.

Eine sehr wichtige Komponente fehlt allerding in der Aufzählung.
Die Steuer-Elektronik für die Speisewasser-Versorgung der Dampferzeugung.

Bekanntlich wird das Speisewasser durch Düsen in den Verdampfern zerstäubt.
Die physikalischen Voraussetzungen für eine Zerstäubung und somit auch einer erfolgreichen, spontanen Filmverdampfung an den erhitzten Innenflächen der Verdampfer bewegen sich in sehr engen Grenzen.
Die Bedingungen innerhalb der Verdampfer hängen aber von den jeweiligen Betriebszuständen während des Hochfahrens der Turbine oder auch während des Manövrierens mittel Fernsteuerung ab.
Beim Hochfahren oder Manövrieren wird die Leistung der Turbine durch Änderung der Massenströme Wasser, Gas und Luft oder dem Ab- und Zuschalten einzelner Verdampfer gesteuert.
Die damit verbundenen Aufgaben von Regelung und Messwert-Erfassung sind äußerst komplex. Eine einfache Veränderung des Wasserdrucks durch eine steuerbare Speisepumpe genügt den Anforderungen ebenso wenig, wie eine Regulierung der Gas- und Luftmenge.

Meine ursprüngliche Idee einer individuellen Steuerung der einzelnen Düsen, wie bei der Common-Rail-Technik in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, scheitert an der Verfügbarkeit entsprechend kleiner Druckregel-Ventile. 
https://de.wikipedia.org/wiki/Common-Rail-Einspritzung

Steuerbare Ventile mit Solenoid-Antrieb scheiden wegen ihrer Größe, dem hohen Stromverbrauch und der begrenzten Lebensdauer bei 20 bis 40 Schaltintervallen pro Sekunde von Vornherein aus.
Entsprechende kleine Ventile mit Piezo-Antrieb, wie die der Fahrzeugtechnik, wären am geeignetsten, stehen aber nicht zur Verfügung.

Mein nächstes Projekt ist also die Überarbeitung der Speisewasser-Zerstäubung einer „Direkt geheizten Modell-Dampfturbine".

Ich strebe, ähnlich der Common-Rail-Technologie, zwar eine individuelle Steuerung der einzelnen Düsen an. Hierzu werde ich statt einzelner Magnetventile jedoch Piezo-Elektrische Diaphragma-Pumpen aus der Medizintechnik (25 x 25 mm) verwenden (Bild 25).
Sie werden durch Mikro-Prozessoren gesteuert und erlauben den Wasserdruck und die Wassermenge an die unterschiedlichen Betriebs-Bedingungen in den Verdampfern beim Anfahren, beim Wiederstart oder im Drosselbetrieb anzupassen.

Die Fördermenge von 5 bis 25 ml/min und der Wasser-Druck von 10 bis 50 kPa werden durch die Betriebsspannung und die Taktfrequenz beeinflusst.
Die Takt-Frequenzen von 20 bis 60 Hz und die Betriebsspannungen von ca. 200 bis 250 V werden vom Mikro-Prozessor über PWM-Signale (Puls-Weiten-Modulation)gesteuert.
Die PWM-Signale werden in einer PPL-Schaltung (Phase-Locket-Loup) entsprechend umgewandelt.
Diese, etwas komplizierte Schaltung zu entwickel, ist meine nächste Aufgabe.
Ich betreibe zurzeit eine Machbarkeitsstudie und stehe mit Herstellern solcher, noch recht teuren  High-Tech-Komponenten in Verbindung.

Ich werde zur gegebenen Zeit über die Ergebnisse berichten.

Also, bis bald!



« Letzte Änderung: 21 Januar 2018, 07:10:08 von Turbo-Georg »
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg