Ewiges Pendel mit nur einer Spule

[Ulrich E. (sudu)]

Hallo,

ich bin beim Suchen zufällig auf diverse Thead zu dem Thema hier 
gestoßen und fand sie recht interessant. Ich habe mal einen anderen 
Ansatz für so ein Pendel gewählt. Ganz zeitgemäß mit Controller. 
Vielleicht interessiert es ja jemanden von euch.

Meine Lösung hier hat u.a. folgende Vorteile:

- nur eine einzige Spule wird benötigt (wirkt zugleich als Sensor u. 
Arbeitsspule, Windungszahl dabei völlig unkritisch, 0,22mm CuL auf 
Nähmaschinenspule, kein Eisenkern)

- das Pendel startet automatisch, wenn eine bestimmte (einstellbare) 
Zeit lang kein Impuls am Sensor registriert wird.

- die Schaltung kalibriert sich selbst.

- da die Schwingungsweite einfach ermittelbar ist, kann das Programm 
durch Veränderung der Impulszeit und der Triggerverzögerung den 
Pendelausschlag selbständig auf Maximalwert bringen. Egal ob die 
Pendellänge 15 cm oder 1,5 m ist - der Antrieb ist stets optimal.

- der Magnet kann wahlweise sowohl bei Annäherung als auch bei 
Entfernung triggern. Das ermöglicht einiges an Experimentieren bei der 
Software.

- der Controller ermittelt die Pendel-Periodendauer und schaltet, immer 
wenn möglich, in den stromsparenden Sleepmodus.

- wird volle 10-Bit ADC genutzt, reichen bereits winzige Magnete, um 
noch über einige cm Entfernung zur Spule zuverlässig zu triggern. Eine 
LED zeigt dabei jeden Triggervorgang an.


Zur Schaltung selbst:

Der Aufbau ist unkritisch und minimalistisch. Dazu auch sehr 
nachbausicher.
Jeder winzige AVR oder PIC mit einem ADC-Eingang sollte hier 
funktionieren. Im Ruhezustand ist der Transistor gesperrt und der Elko 
220uF auf 5 V geladen. An beiden Enden der Spule liegen also auch 5 V 
an. Diese Ruhespannung wird über den Spannungsteiler 56K/100K einem ADC 
als "Nullstellung" zur Kalibrierung beim Programmstart zugeführt.

Die beiden antiparallelen weissen LED begrenzen die mögliche induzierte 
Spannung in der Spule (auf den Bereich von ca. 2...8 Volt am Kollektor 
von T im worst case), so dass in jedem Fall eine zulässige Spannung am 
ADC-Eingang anliegt.

In der Schleife im Hauptprogramm wird nun per Polling der aktuelle 
ADC-Wert in einem Zeitfenster ständig mit dieser Nullstellung 
verglichen. Wird ein Impuls erkannt, steuert der Pin den Transistor 
(ggf. zeitverzögert) für wenige ms durch. Der Kondensator wird über die 
Spule entladen und der Magnet erhält so einen kurzen erneuten 
Beschleunigungsimpuls.

Funktioniert tadellos. Besonders die automatische 
Pendelausschlag-Optimierung ist toll. Im Dunkeln ergibt sich sogar ein 
netter Stroboskopeffekt. Das Pendel wird von einer LED angeblitzt, immer 
dann wenn es einen Impuls erhält.

Ulrich

[HildeK (Gast)]

Nett. Noch ein Foto wäre noch netter :-).

Was mir auffällt: wenn der Transistor eingeschaltet wird, entlädt sich 
der 220µF-C recht brutal über die rechte LED und den Transistor. Ich 
glaube nicht, dass du in dem Fall die Maximum Ratings beider Bauelemente 
einhältst.

[Johann L. (gjlayde)]

Ulrich E. schrieb:
> Hallo,
>
> ich bin beim Suchen zufällig auf diverse Thead zu dem Thema hier
> gestoßen und fand sie recht interessant. Ich habe mal einen anderen
> Ansatz für so ein Pendel gewählt. Ganz zeitgemäß mit Controller.
> Vielleicht interessiert es ja jemanden von euch.

Wär eher was für "Projekte & Code"

[Harald W. (wilhelms)]

Ulrich E. schrieb:

> Ich habe mal einen anderen
> Ansatz für so ein Pendel gewählt. Ganz zeitgemäß mit Controller.

Aha, schon interessant, das man "zeitgemäß" schon einen ganzen
Computer braucht, um einen einzelnen Transistor zu ersetzen.

[Nett (Gast)]

Interessante Implementation. Der Ansatz mit der autom. Optimierung 
gefällt mir.

Aber warum ist das nun "zeitgemäß"? Läuft das mit dem Microcontroller 
nun länger? Besser? Wenn nein, ist das wohl eher einfach ein 
mikrocontroller gesteuertes Pendel und kein ewiges Pendel (Ewiges Pendel 
= jahrelanger Betrieb mit nur einer einzigen Zelle).

[Harald W. (wilhelms)]

Nett schrieb:

> Ewiges Pendel = jahrelanger Betrieb mit nur einer einzigen Zelle.

Ja, sowas kauft man wohl besser fertig im nächsten Elektronikladen.

[Ulrich E. (sudu)]

HildeK schrieb:
> Was mir auffällt: wenn der Transistor eingeschaltet wird, entlädt sich
> der 220µF-C recht brutal über die rechte LED und den Transistor. Ich
> glaube nicht, dass du in dem Fall die Maximum Ratings beider Bauelemente
> einhältst.

Völlig korrekt. Hier hatte ich auch Bedenken.

Die Lösung wäre hier wahrscheinlich nur, diese LED ganz wegzulassen. Ein 
zusätzlicher Widerstand in Reihe würde die beabsichtigte Schutzfunktion 
(Begrenzung der Induktionsspannung) behindern.
Aber die LED wird bei mir hier pro Halbschwingung für nur 2..4 ms kurz 
mit der C-Entladung belastet. Bei drei hier laufenden Schaltungen kam es 
über viele Monate Laufzeit noch zu keinem LED-Ausfall.

Das "brutale Entladen" von C beginnt bei 5 V und endet ja bereits bei 
Erreichen der Flussspannung der LED  + Uce vom T, also bei ca. 3,5 V.
Das halten die Teile ohne glühendheiß zu werden scheinbar aus ;-)).

P.S. Fotos folgen sobald möglich

Grüße

Ulrich

[Wolfgang (Gast)]

Ulrich E. schrieb:
> Ein
> zusätzlicher Widerstand in Reihe würde die beabsichtigte Schutzfunktion
> (Begrenzung der Induktionsspannung) behindern.

Als Freilaufdiode fungiert nur die linke LED. Mit der rechten hast das 
nichts zu tun.

[John (Gast)]

Harald W. schrieb:
> Ulrich E. schrieb:
>
>> Ich habe mal einen anderen
>> Ansatz für so ein Pendel gewählt. Ganz zeitgemäß mit Controller.
>
> Aha, schon interessant, das man "zeitgemäß" schon einen ganzen
> Computer braucht, um einen einzelnen Transistor zu ersetzen.

Der erste Mikrocontroller wurde 1971 entwickelt.
Er meint mit "zeitgemäß" bestimmt: "aus dem vorigem Jahrhundert".

[Peter D. (peda)]

Das ist ja doch ein recht hoher Schaltungsaufwand.
Ich würde einfach die Spule mit einem Widerstand in Reihe schalten, der 
auf ~10mA begrenzt. Das sollte reichen, um die Schwingung anzuregen und 
zu halten. Zum Messen nimmt man einen Output, der gleichzeitig ein 
ADC-Input ist.

Zum Strom sparen läßt man den MC erstmal die Frequenz ermitteln und dann 
die minimale Pulsdauer, bei der die Schwingung noch nicht abreißt. 
Danach geht er in Sleep mit Aufwachen über Watchdoginterrupt und pulst 
nur noch.

[Ulrich E. (sudu)]

Wolfgang schrieb:
> Als Freilaufdiode fungiert nur die linke LED. Mit der rechten hast das
> nichts zu tun.

Stimmt, ... beinahe!

Die linke LED ist die übliche Freilaufdiode für die EMF in der Spule, 
verursacht vom durchschaltenden Transistor.

Es gibt aber noch den Fall, wo der bewegte Magnet in der Spule, je nach 
Polarität und Richtung, am Kollektor von T eine negative oder positive 
Spannung bezogen auf das obere Spulenende erzeugt. Und auch die soll in 
beiden Richtungen begrenzt werden, um den ADC im worst case nicht zu 
überlasten.

Grüße

Ulrich

[Norbert (Gast)]

Nett schrieb:
> (Ewiges Pendel = jahrelanger Betrieb mit nur einer einzigen Zelle).

Ich glaube wir haben unterschiedliche Vorstellungen von der Ewigkeit!

[Wolfgang (Gast)]

Ulrich E. schrieb:
> Und auch die soll in beiden Richtungen begrenzt werden, um den ADC im
> worst case nicht zu überlasten.

Wie willst du bei der Schaltung den ADC überlasten?
Die Induktionsspannung durch den bewegten Magnet wird doch 60V nicht 
überschreiten. Und das eine mA fließt gewöhnlich problemlos über die 
Eingangsschutzdioden üblicher µC ab.

[Harald W. (wilhelms)]

Norbert schrieb:

>> (Ewiges Pendel = jahrelanger Betrieb mit nur einer einzigen Zelle).
>
> Ich glaube wir haben unterschiedliche Vorstellungen von der Ewigkeit!

Vergleiche Deine Vorstellung doch mal mit der einer Eintagsfliege.

[Ulrich E. (sudu)]

Wolfgang schrieb:
> Wie willst du bei der Schaltung den ADC überlasten?
> Die Induktionsspannung durch den bewegten Magnet wird doch 60V nicht
> überschreiten.

Du hast ja recht.

Ich wollte nur sichergehen, dass nach einem Super-GAU, bei dem der EMP 
die meiste Elektronik lahmgelegt hat, wenigstens das "Ewige Pendel" noch 
fleißig weiterschwingt ;-))

[norbert (Gast)]

Harald W. schrieb:
> Norbert schrieb:
>
>>> (Ewiges Pendel = jahrelanger Betrieb mit nur einer einzigen Zelle).
>>
>> Ich glaube wir haben unterschiedliche Vorstellungen von der Ewigkeit!
>
> Vergleiche Deine Vorstellung doch mal mit der einer Eintagsfliege.

Ich denke ein Faktor von 30000 macht bei Betrachtung der Ewigkeit keine 
Unterschied. (Irgend ein anderer Faktor auch nicht ;-)

[Wolfgang (Gast)]

norbert schrieb:
> Ich denke ein Faktor von 30000 macht bei Betrachtung der Ewigkeit keine
> Unterschied. (Irgend ein anderer Faktor auch nicht ;-)

Zumindest für ein Pedel auf der Erde ist "Ewigkeit" recht gut definiert. 
Spätestens in etwa 7 Mrd. Jahren wird das Pendel einschließlich der Erde 
doch wohl Geschichte sein ;-)

[npn (Gast)]

Wolfgang schrieb:
> Spätestens in etwa 7 Mrd. Jahren wird das Pendel einschließlich der Erde
> doch wohl Geschichte sein ;-)

...und kurz vorher wird auch die Batterie alle sein :-)))

[Ulrich E. (sudu)]

Hallo,

noch mal was ganz allgemein zu dem Thema Pendel.

Ich habe mich vor langer Zeit auch an der Ur-Variante mit 
Ge-Transistoren versucht, mit durchwachsenem Ergebnis. Und wie die 
vielen Beiträge in den anderen Threads zeigen, war ich da wohl nicht der 
Einzige.

Es gibt sicher einfach zu viele Faktoren, die den Betrieb der 
Transistorschaltung zum Zufallserfolg werden lassen (Stärke des 
Magneten, L, Q und Geometrie der Spule, Stromverstärkung vom Transistor, 
Abstand Magnet-Spule, Ankopplung der Sensor-Spule, Layout der Schaltung 
uvm).

Dazu kommt, dass man die Impulsdauer und Verzögerung des Impulses kaum 
wirklich der konkreten Pendelgeometrie anpassen konnte. Ganz zu 
schweigen von der Problematik mit der Selbsterregung der Schaltung.

Allen Interessierten kann ich nun aus eigener Erfahrung nur empfehlen, 
das
Projekt Pendel mal mit einer Controller-basierten Lösung anzugehen. Es 
lohnt sich wirklich.

- das Thema Rückkopplung/Selbsterregung existiert nicht

- bereits eine in der Spule induzierte Spannung von nur ca. 15 mV wird 
als
Triggerimpuls am ADC-Eingang sicher erkannt

- per differentieller Spannungsmessung können Temperatur-, Spannungs- 
oder
Pendellängenschwankungen leicht und sicher ausgeglichen werden

- wie im Bild dargestellt, kann die konkrete Position des Magneten, an 
der
die Triggerung erfolgen soll, per Software recht einfach definiert 
werden

- die Ermittlung des Pendelausschlags ist, wie im Bild gezeigt, auch
trivial, da die induzierte Spannung proportional der 
Pendelgeschwindigkeit
im unteren Scheitelpunkt ist.

Eine Schaltung mit Controller bietet dazu noch zahllose 
Erweiterungsmöglichkeiten für das Pendel, z.B.

- Fotodiode an einen weiteren ADC für Nachtabschaltung bzw.
helligkeitsgesteuerte Ausschlagshöhe
- interne Uhr, um das Pendel periodisch ab- und anzuschalten
- gezieltes periodisches Auslassen von Antriebsimpulsen, um 
unterschiedlich hohe Pendelausschläge zu erreichen

Bei Bedarf schicke ich morgen noch paar ergänzende Bilder von dem Pendel
hier auf den Weg

Grüße

Ulrich

[Ulrich E. (sudu)]

Hallo,

für die interessierten Berufs- und Freizeitpendler hier nun noch paar 
Bilder dazu.

Ich habe es heute getestet: Wenn man den Spannungsregler weglässt, läuft 
die Schaltung bis zu 2,5 Volt hinab stabil. Durch die interne Regelung 
bleibt der Pendel-Ausschlag sogar unverändert. Lediglich die rechte LED 
ist dann stets dunkel. Die Freilauf-LED blitzt, getrieben von der 
Back-EMF, aber schwach weiter.

Zuerst hatte ich vor, die Spule direkt neben der Schaltung mit auf der 
Platine zu befestigen. Aber einige Bauelemente (LED,R) haben 
eisenhaltige Anschlußdrähte und beeinflussen so sichtbar den Weg des 
Magneten. Mit dem 15 cm langen Spulenträger aus Plastik ist das Problem 
gelöst. Gemessen habe ich bei der Spule: R 450 Ohm, L 135 mH, Q 7,5. 
Genaue Windungszahl unbekannt. Eine Nähmaschinenspule ist mit 0,22 CuL 
vollgewickelt.

Die bestückte Leiterplatte ist eine Variante mit zusätzlichem Taster für 
Eingaben und einem LDR per Spannungsteiler an einem weiteren ADC, um 
Programmvarianten helligkeitsabhängig starten zu können.

Die Pendellänge im gezeigten Versuchsaufbau ist 85 cm.

Grüße

Ulrich

[Paul A. (wandkletterer)]

Coole Sache.

[npn (Gast)]

Paul A. schrieb:
> Coole Sache.

Toller Kommentar nach zwei Jahren... ;-)))

[GEKU (Gast)]

Welchen Einfluss hat die elektronische Steuerung auf die Frequenz des 
Pendels?

$$\Omega = \sqrt{\frac{m \cdot k \cdot l}{I}}$$

https://de.wikipedia.org/wiki/Pendel

[Kohlenhändler (Gast)]

GEKU schrieb:
> Welchen Einfluss hat die elektronische Steuerung auf die Frequenz
> des
> Pendels?
> Ω=m⋅k⋅lI−−−−−−−√ \Omega = \sqrt{\frac{m \cdot k \cdot l}{I}}
> https://de.wikipedia.org/wiki/Pendel

Steckt alles in der Firmware... ;)

[Harald W. (wilhelms)]

npn schrieb:

> Paul A. schrieb:
>> Coole Sache.
>
> Toller Kommentar nach zwei Jahren... ;-)))

Wahrscheinlich wurde er dadurch geweckt:
Beitrag "Winkende Katze, was steckt dahinter?"

[blaimschein (Gast)]

Hallo,
ein codeschnipsel wäre nett...
mfg
blaimschein

[Andreas M. (Firma: keine) (amam)]

Die Spule mit 0,22mm Draht scheint mir nach Onlineberechnung auf
https://www.electronicdeveloper.de/InduktivitaetLuftMehrl.aspx
nicht plausibel.
Dort würden bei diesen Daten 4000 Windungen mit 0,1mm CuL herauskommen.
Ist die Berechnung auf dieser Seite falsch? Gibt es vielleicht 
unterschiedliche Nähmaschinenspulen?

[Sylvio R. (sylvio_r)]

Mit welcher Spannung wird die Schaltung betrieben?
Könnte mal jemand eine Stückliste der Bauelemente hier posten? Würde mir 
als Anfänger helfen um das Pendel zusammen mit meinem Sohn zu bauen.

[Gerhard O. (gerhard_)]

Hier sind ein paar praktische Anregungen:

http://www.maxmcarter.com/pendulum/index.php


https://sound-au.com/clocks/free-pendulum.html

[Michael B. (laberkopp)]

Sylvio R. schrieb:
> Mit welcher Spannung wird die Schaltung betrieben?

Offenkundig mit 7-20V, weil ein Spannungstegler drin ist der erst mal 5V 
draus macht.

Aber: "Wenn man den Spannungsregler weglässt, läuft die Schaltung bis zu 
2,5 Volt hinab stabil. " Einfach lesen.

> Könnte mal jemand eine Stückliste der Bauelemente hier posten? Würde mir
> als Anfänger helfen um das Pendel zusammen mit meinem Sohn zu bauen.

Nützt nichts, weil dann immer noch das Programm für den Mikrocontroller 
fehlt.

Es gibt eine viel einfachere Schaltung für ein ewiges Pendel mit nur 
einer Spule, einem Transistor, einer LED und Kleinkram. Leider finde ich 
die nicht so schnell wieder.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Michael B. schrieb:
> Es gibt eine viel einfachere Schaltung für ein ewiges Pendel mit nur
> einer Spule, einem Transistor, einer LED und Kleinkram. Leider finde ich
> die nicht so schnell wieder.

Wahrscheinlich ist es diese, oder eine ähnliche Schaltung mit nur einem 
Transistor.

Die Pendelfrequenz wird einzig und allein von dem mechanischen 
Drehpendel bestimmt (Resonanzfrequenz). Der Transistor schubst nur 
leicht im richtigen Moment mit der roten Spule das Drehpendel an.

Der 1M5 Widerstand spannt den Transistor nur etwas vor, so dass an der 
roten Spule ein kleiner Spannungsabfall entsteht, dadurch wird der 
Transistor gegengekoppelt und kann nicht weiter öffnen (leiten). Sobald 
sich der Permanentmagnet des Pendels an der grünen Spule vorbei bewegt, 
wird eine positive Spannung in der grünen Spule erzeugt, die den 
Transistor voll durchsteuert. Der 100µF Kondensator dient nur zur 
Energiemengenübertragungsbegrenzung für die Basis und zur 
Gleichspannungsabkopplung (Hochpass).

Der durchgesteuerte Transistor treibt jetzt die rote Spule an, die dann 
denn Permanentmagneten wegdrückt und dadurch das Drehpendel angeschubst 
wird. Der 220nF Kondensator erzeugt eine kleine Zeitverzögerung, damit 
das Pendel erst ca. ab dem unteren Totpunkt angeschubst wird.

Die grüne Spule dient nur zum detektieren der Pendelposition und die 
rote Spule ist die Arbeitsspule (Antriebsspule). Beide sind bifilar 
gewickelt (zwei Spulen auf einen gemeinsamen Spulenkörper).

Die beiden unterschiedlich gefärbten Kupferlackdrähte dienen zur 
besseren Unterscheidung (grün und rot). Man kann sie aber auch 
durchmessen.

[Michael B. (laberkopp)]

Enrico E. schrieb:
> Wahrscheinlich ist es diese,

Nein, keine Doppelspule aka Trafo, nur eine Wicklung. Waren aber doch 2 
Transistoren, so trügt die Erinnerung, aus

https://www.nutsvolts.com/magazine/article/magnetic_pendulum

Leider ist es mir damit nicht gelungen, ein Faucault'sches Pendel zu 
bauen das mit der Erdrotation mitdreht, es blieb bei einer 
Vorzugspendelrichtung weil minimale Asymmetrien vor stärker sind.