Bei -3Vdc Steuerspannung zwei Kontakte schließen und bei -10Vdc öffnen (Schaltleistung: ab ca. 20 …

[Nik T. (micronik)]

Bei -3Vdc Steuerspannung zwei Kontakte schließen und bei -10Vdc öffnen 
(Schaltleistung: am besten ab ca. 30 … 80 A /10V)

Hallo,

ich habe hier zur Reparatur ein Spielzeug-Boot von Bekannten bekommen, 
das in der Elektronik und Mechanik herstellerseitig folgende Schwächen 
aufweist:

Beim Lenken nach "Links" oder "Rechts" wird der eine Widerstand (6,8 
Ohm) zum Servomotor bereits nach 5 s sehr heiß.

Folge:
Der Akku wird unnötig schnell entladen und der Servomotor fängt an zu 
klemmen und kommt nicht in seine Mittelstellung zurück (also obwohl 
nicht mehr gelenkt wird und der Joystick in der Mittelstellung ist), da 
die gesamte el. Leistung im Leistungskreis des Servomotors durch 
Überhitzen des Widerstandes kritisch absinkt.
Und wenn der Servomotor sich verklemmt, wird erst ab dann richtig 
problematisch, da der Anwender das Boot im See nicht einfach so schnell 
zurück hohlen kann, und der Widerstand noch heißer als zuvor wird und 
der Akku schneller verbraten wird. Die gesamte Elektronik wird dann also 
sehr strapaziert.

Nun überlege ich etwa mit einem MOSFET (mit seinem Source und Drain) 
diesen 6,8 Ohm Widerstand so zu überbrücken (~ proportional), sodass 
wenn der Joystick in der Mittelstellung ist, dieser Widerstand möglichst 
niederohmig überbrückt ist, damit der Servomotor dann den höchsten 
Drehmoment bekommt und so sich immer zuverlässig in seine Mittelstellung 
zurücksetzen kann, jedoch beim Lenken (nach "Links" oder "Rechts") der 
MOSFET wiederum öffnet, weil ansonsten mit zu hoher el. Leistung das 
Servomotor-Getriebe durchdreht und die Zahnräder überbelastet werden 
(fangen an zu knarren und müssen wieder getauscht werden).

Auf der Platine habe ich mittels Spannungsmessung einen Knotenpunkt 
gefunden, an der eine größere Spannungsänderung (über 3V) beim Lenken 
nach "Links" oder "Rechts" zu beobachten ist, um ihn für die 
Steuerspannung für die Gate des neuen MOSFETs zu nehmen:
•  Joystick in der Mittelstellung: -3 … 3,3 V
•  Joystick nach "Links" oder "Rechts": - 9,8 … 10 V

Frage:
Welchen MOSFET würdet ihr empfehlen, der am Gate mit Minus so 
angesteuert werden kann, sodass bei Verringerung der MINUS-Spannung 
(aktuell auf -3 ... -3,3 V) dieser am Source und Drain schließt und bei 
Erhöhung der MINUS-Spannung (im Falle auf -9,8 ... -10 V) wiederum 
öffnet?

Aktuell habe ich hier im Bestand parat paar IRF640 (N-Kanal MOSFET) und 
paar IRF9630 (P-Kanal MOSFET).

Der P-Kanal MOSFET IRF9630 arbeitet genau andersherum: bei Erhöhung der 
Spannung schließt er (~ proportional) am Source und Drain, aber um das 
oben geschilderte Problem zu lösen muss der neuen MOSFET hier (~ 
proportional) öffnen.

Oder wäre es vielleicht irgendwie möglich diesen IRF9630 MOSFET zu 
benutzen aber den Anstieg/Abfall der verfügbaren MINUS-Steuerspannung 
auf einer einfachen Art zu invertieren?

Weitere Bauelemente hätte ich auch hier parat wie
•  paar Bipolar-Transistoren vom Typ BC639, NPN & BC640, PNP
•  Sortiment von Widerständen
•  Kondensatoren
•  Dioden

Selbst dieser relativ leistungsfähige IRF9630 MOSFET erhitzt sich nach 
paar Sekunden Lenken des Servomotors (obwohl der Servomotor lediglich 
0,8 A bei 10 V benötigt), aber bei weitem nicht so stark wie der 
original verbaute 5W Widerstand, was schon mal auf eine versprechende 
(energiesparende) Umsetzung mit einem MOSFET hindeutet.

Der IRF640 MOSFET verhält sich bei der Überbrückung des Widerstandes 
(über Source und Drain) DEUTLICH kühler, ist aber ein N-Kanal MOSFET, 
was mir eine andere Barriere darstellt, weil der scheinbar einzige 
Knoten, welchen ich auf der Platine für Steuerspannung abzapfen kann, 
ist als Minus verfügbar. An diesem problematischen Knoten mit dem 6,8 
Ohm Widerstand (also da wo Source und Drain des neuen MOSFETs bei der 
Mittelstellung des Joysticks vollständig überbrücken sollen) fließt Plus 
vom Akkupack.

Erste Versuche => MOSFET arbeitet deutlich kühler als fetter Widerstand:
Ich habe diesen dicken 6,8 Ohm 5W Widerstand durch einen 10 W und danach 
sogar durch einen 15W ersetzt und diese haben sich überraschenderweise 
ebenso aufgeheizt, sodass der Servomotor nach paar Minuten Fahrt mit 
Lenkungsmanövern dennoch sporadisch klemmte.
Erst eine vollständige (also völlig niederohmige) Überbrückung dieses 
Widerstandes bringt den Servomotor jeweils wieder in seine 
Mittelstellung zuverlässig zurück, ohne das Boot und den Servomotor 
jeweils umständlich zerlegen zu müssen.

Notlösung mittels Mini-Relais:
Zur Not lässt sich das Problem einfach mittels eines Mini-Relais lösen, 
um den problematische 6,8 Ohm Widerstand beim Spannungsabfall von -10 
auf -3 V (vollständig / voll niederohmig) zu überbrücken. Wobei das 
"Geklacke" verbunden mit mechanischem Verschleiß beim Lenken wollte ich 
sehr vermeiden.

Auf eure Anregungen würde ich mich sehr - sehr freuen.

Gruß
MicroNik

[Max D. (max_d)]

Wenn Ersatzteile für das Boot gibt, dann kann es eigentlich kein 2€ Lidl 
Teil sein. Wäre es da nicht sinnvoller eine richtige rc Anlage zu 
verbauen mit echten servos?

[Stephan (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Beim Lenken nach "Links" oder "Rechts" wird der eine Widerstand (6,8
> Ohm) zum Servomotor bereits nach 5 s sehr heiß.

Nik T. schrieb:
> Die gesamte Elektronik wird dann also
> sehr strapaziert.

Am Besten sagst du uns was der Widerstand mit dem Servo zu tun hat, und 
welche Elektronik da vorhanden ist. Einen Widerstand würde ich zumindest 
nicht als Elektronik bezeichnen.
Erfolgt die Steuerung über Schaltkontakte oder proportional zur 
Joystickauslenkung?
Wie sieht die Stromversorgung des Bootes und des Steuerservos aus.
Am besten in Form eines Schaltplanes / Verdrahtungsplanes.
Ein paar Bilder wären auch hilfreich.

[Nik T. (micronik)]

> Wäre es da nicht sinnvoller eine richtige rc Anlage zu
> verbauen mit echten servos?

nein, nicht bei diesem billigen Produkt.

Es sind natürlich keine echte Servos (mit Drehgeber usw.) aber ich 
bezeichne es hier einfach umgangssprachlich als "Servomotor", da 
(mittels eines drei-poligen Drehschalters) er jeweils in seine 
Mittelstellung geregelt wird.

Es ist also keine Proportionalsteuerung.

(Der Widerstand ist wie oben beschrieben im Leistungskreis dieses 
Servomotors. Wird dieser überbrückt, erhöht sich die Leistung des 
Servomotors, sodass er aus seiner eingeklemmten Lage (im voll links / 
oder voll rechts) problemlos in seine Mittelstellung eingeregelt wird. 
Wird allerdings mit voll niederohmig überbrückten Widerstand gelenkt 
(nach "links" oder rechts"), wird sein Getriebe völlig überlastet. Es 
ist also keine Auswertung der IST-Position vorhanden = kein Closed Loop 
Betrieb usw. ...).

Es geht hier nicht so sehr um das Produkt (um das Boot) konkret, sondern 
wesentlich um die Aufgabestellung zwei Kontakte zu überbrücken.
Die Steuerspannung für das Gate des MOSFETs von -3 V (soll SCHLIEßEN) 
und -10V (soll ÖFFNEN) liegt vor.

Gruß
micronic

[Andrew T. (marsufant)]

Nik T. schrieb:
> Auf der Platine habe ich mittels Spannungsmessung einen Knotenpunkt
> gefunden, an der eine größere Spannungsänderung (über 3V) beim Lenken
> nach "Links" oder "Rechts" zu beobachten ist, um ihn für die
> Steuerspannung für die Gate des neuen MOSFETs zu nehmen:
> •  Joystick in der Mittelstellung: -3 … 3,3 V
> •  Joystick nach "Links" oder "Rechts": - 9,8 … 10 V

Und wenn Du gegen eien der  anderen Versorgungspunkte mißt,
wirst Du feststellen:

•  Joystick in der Mittelstellung: +7 … +6,7 V
•  Joystick nach "Links" oder "Rechts": +0.2 .. 0V

Fällt Dir etwas daran auf? :)

[Der Andere (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Es geht hier nicht so sehr um das Produkt (um das Boot) konkret, sondern
> wesentlich um die Aufgabestellung zwei Kontakte zu überbrücken.
> Die Steuerspannung für das Gate des MOSFETs von -3 V (soll SCHLIEßEN)
> und -10V (soll ÖFFNEN) liegt vor.

Mal wieder ein klassisches: "Nicht das Problem sondern die vermeintliche 
Lösung beschreiben"
Problem.

Aber gut:
Kläre welche Versorgungsspannungen du zur Verfügung hast.
Kläre bei welcher Schwelle umgeschaltet werden soll.
Dann nimm einen Komparator oder falls bei 0V wieder geöffnet sein soll 
einen Fensterkomparator und steuere damit deinen Mosfet an.

Siehe z.B.
https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/wincst.htm
https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opaschm.htm
...

[Nik T. (micronik)]

Andrew T. schrieb:
> Und wenn Du gegen eien der  anderen Versorgungspunkte mißt,
> wirst Du feststellen:
>
> •  Joystick in der Mittelstellung: +7 … +6,7 V
> •  Joystick nach "Links" oder "Rechts": +0.2 .. 0V
>
> Fällt Dir etwas daran auf? :)

Hallo Andrew,

(mißt => misst)

da ich nur gegen diesen 6,8 Ohm Widerstand messe (da wo Source und Drain 
des neuen MOSFETs überbrücken sollen), ist die Folge wie oben 
beschrieben: ca. -3V und beim Lenken ca. -10V.
Der MOSFET braucht am Source "Plus" und am Gate "Minus".

Über die erwähnten Bipolar-Transistoren (NPN) im Bestand ließ sich eine 
Ansteuerung des MOSFETs über die anderen Knotenpunkte wie gewünscht 
realisieren. Deutest du drauf hin?

So eine oder ähnliche einfache Lösung wäre hier zu bevorzugen, wenn es 
mit keinem MOSFET direkt gehen sollte.

(Komparatoren (und ähnliche Verkomplizierungen (ironischerweise bis 
Raspberry Pi und darüber hinaus) - wären zwar auch möglich, aber nur 
wenn dies in der Relation zu der Aufgabenstellung tatsächlich eine 
einfache vernünftige Lösung wäre - dann wäre all dies sicherlich 
angemessen.)

Gruß
MicroNik

[MiMa (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Auf der Platine habe ich mittels Spannungsmessung einen Knotenpunkt
> gefunden, an der eine größere Spannungsänderung (über 3V) beim Lenken
> nach "Links" oder "Rechts" zu beobachten ist, um ihn für die
> Steuerspannung für die Gate des neuen MOSFETs zu nehmen:
> •  Joystick in der Mittelstellung: -3 … 3,3 V
> •  Joystick nach "Links" oder "Rechts": - 9,8 … 10 V

Welche Spannung bekommt der "Servo"? Bzw. wie sieht dieser überhaupt 
aus?

[Der Andere (Gast)]

Nik T. schrieb:
> (Komparatoren (und ähnliche Verkomplizierungen (ironischerweise bis
> Raspberry Pi und darüber hinaus) - wären zwar auch möglich, aber nur
> wenn dies in der Relation zu der Aufgabenstellung tatsächlich eine
> einfache vernünftige Lösung wäre - dann wäre all dies sicherlich
> angemessen.)

Schöner Satz

[wendelsberg (Gast)]

Wie so oft.
Schaltplan zeichnen. Ohne ist das alles Kaffeesatzleserei.

wendelsberg

[Nik T. (micronik)]

MiMa schrieb:
> Welche Spannung bekommt der "Servo"? Bzw. wie sieht dieser überhaupt
> aus?

Hallo MiMa,

weiterhin ca. wie oben bereits erwähnt:

Nik T. schrieb:
> Selbst dieser relativ leistungsfähige IRF9630 MOSFET erhitzt sich nach
> paar Sekunden Lenken des Servomotors (obwohl der Servomotor lediglich
> 0,8 A bei 10 V benötigt), aber bei weitem nicht so stark wie der
> original verbaute 5W Widerstand, was schon mal auf eine versprechende
> (energiesparende) Umsetzung mit einem MOSFET hindeutet.

Gruß
MicroNik

[Nik T. (micronik)]

Der Andere schrieb:
> Schöner Satz

Danke

MicroNik

[Andrew T. (marsufant)]

Nik T. schrieb:
> Über die erwähnten Bipolar-Transistoren (NPN) im Bestand ließ sich eine
> Ansteuerung des MOSFETs über die anderen Knotenpunkte wie gewünscht
> realisieren. Deutest du drauf hin?

Richtig erkannt: Sinnvol gewählter Bezugspunkt erleichtert die 
Schaltungsauslegung.

Und wenn Du genügend npn schon griffbereit hat,
wäre das der präferierte Lösungsansatz.
Der npn Bip. sprerrt unter 0.55V an der Basis,  (und öffnet darüber.
Wenn Du diese Schwelle erhöhen willst, Spannungsteiler oder 
Spannungs+Zenerdiode zur Bereichsanpassung.

Da Du Durchschalten im Bereich um 0 willst, und "Öffnen" im Bereich 
darüber: ein zweiter npn nachschalten zur Invertierung.

Das sollte Deine gewünschte Anforderung erfüllen.

[MiMa (Gast)]

Nik T. schrieb:
> MiMa schrieb:
>> Welche Spannung bekommt der "Servo"? Bzw. wie sieht dieser überhaupt
>> aus?
>
> Hallo MiMa,
>
> weiterhin ca. wie oben bereits erwähnt:

...irgendwo gemessen..
Hat er 2 Anschlüsse und bekommt da +-10V und Masse oder wie? Oder gar 3 
Anschlüsse mit PWM und du misst nur falsch?
Ein wenig mehr Information musst du uns schon geben wenn du eine Lösung 
haben möchtest :-)

[Nik T. (micronik)]

Hallo Andrew,

danke dir für die Bestätigung, dann werde ich mir diese Variante als 
eine "Lösung mit bestehenden Komponenten" vermerken.

Ich wollte mich hier primär vergewissern, dass es selbst mit Bip./NPN 
nicht verkompliziert wird, da ich stets an einen direkteren Weg (alleine 
über spezielle MOSFETs oder ähnliche Leistungstransistoren) strebe, was 
mir generell sehr sympathisch (einfach und zuverlässig) erscheint und 
welchen Weg es auch gibt (ich bin mir sicher, dass es so bessere ist und 
so auch sein muss).

Nichts steht aber bei mir im Weg el. Komponente wie die gesuchten 
Leistungstransistoren (MOSFET, IGBT … ) anzuschaffen, wenn dies so doch 
einen direkteren Weg ermöglicht (Leistungstransistoren habe ich für 
ähnliche Aufgaben häufig gebraucht - es wäre also eine 
Zwangsanschaffung).

Sollte es also direkte Lösungen über Leistungstransistoren doch möglich 
sein, so würde ich mich über eine Bestätigung, über paar Tipps und 
konkret über die Bezeichnung der jeweiligen Typen freuen.

Gruß
MicroNik

[Nik T. (micronik)]

MiMa schrieb:
> Hat er 2 Anschlüsse und bekommt da +-10V und Masse oder wie? Oder gar 3
> Anschlüsse mit PWM und du misst nur falsch?

Hallo MiMa,

wie bei billigen Spielzeugen ausschließlich verbaut wird, handelt sich 
auch hier ganz normal um einen einfachen permanenterregten 
Gleichstrommotor (bürstenbehaftet). Also nichts besonderes (auch nicht 
mal eine PWM-Ansteuerung).

Gruß
MicroNik

[Nik T. (micronik)]

schade, dass die Beträge hier nicht korrigiert werden können:

Andrew,

oben muss es heißen:
"... es wäre also keine Zwangsanschaffung"
(statt "eine Zwangsanschaffung")

[MiMa (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Hallo MiMa,
>
> wie bei billigen Spielzeugen ausschließlich verbaut wird, handelt sich
> auch hier ganz normal um einen einfachen permanenterregten
> Gleichstrommotor (bürstenbehaftet). Also nichts besonderes (auch nicht
> mal eine PWM-Ansteuerung).
>
> Gruß
> MicroNik

Wieso nicht den Widerstand durch eine kleine Glühlampe ersetzen? Bei 
kleinen Spannungen (Mittelstellung) ist der Widerstand gering und bei 
Vollaussteuerung (Anschlag) glüht die Wendel und der Widerstand ist 
groß.

Gruss
MiMa

[Nik T. (micronik)]

MiMa schrieb:
> Wieso nicht den Widerstand durch eine kleine Glühlampe ersetzen? Bei
> kleinen Spannungen (Mittelstellung) ist der Widerstand gering und bei
> Vollaussteuerung (Anschlag) glüht die Wendel und der Widerstand ist
> groß.
>
> Gruss
> MiMa

Hi MiMa ;-),

solche Antworten gefallen mir eigentlich sehr! Das war anfänglich meine 
Überlegung und tatsächlich eine Schnelllösung, da ich vor eine Woche 
zeitlich nicht die Gelegenheit hatte und die Kinder des Freundes sich 
sehr auf deren reparierten und verbesserten Boote freuten. Aber nun sind 
sie für eine Woche verreist, sodass ich diese Variante schnell gelassen 
habe, da es für solche Lösungen doch schon zu spät ist ;-). Nun will ich 
es gerne gescheit (gescheiter) umsetzen und daher habe ich mir die Zeit 
in der Ferien genommen mich etwas auseinander zu setzen, es über 
Leistungstransistoren zu realisieren, wie ich es ein nächstes Mal (bei 
ähnlichen Fällen und dringenden Angelegenheiten) dann ebenso schnell und 
zuverlässig lösen könnte.

Es sind fünf Boote, viele teure ENELOOP sowie stärkere Panasonic (5 * 8 
AA) Zellen und die Akkupacks sollen nicht unnötig strapaziert werden, es 
sei denn ich löse es als Feature und baue die Glühlampe außen am Boot 
oben/vorne an, sodass das Lenken signalisiert wird - das wäre speziell 
in diesem Falle tatsächlich cool und nicht bloß "zwangsweise" gepfuscht 
;-).

[Nik T. (micronik)]

Andrew T. schrieb:
> ... Spannungsteiler oder Spannungs+Zenerdiode ...

meinst du hier
" ...Spannungsteiler oder Spannungsteiler + Zenerdiode"
oder
"... Spannungsteiler oder Spannungsstabilisierungs-Zenerdiode"
?

[Nik T. (micronik)]

Hi MiMa, eine Ergänzung, damit uns die anderen korrekt folgen können:

MiMa schrieb:
> Wieso nicht den Widerstand durch eine kleine Glühlampe ersetzen?

nicht "ersetzen", sondern ergänzen.

> Bei kleinen Spannungen (Mittelstellung) ist der Widerstand gering und bei
> Vollaussteuerung (Anschlag) glüht die Wendel und der Widerstand ist
> groß.
>

um dann den MOSFET am Gate wie gewünscht ansteuern zu können.

(Den Widerstand bloß durch die Glühlampe zu ersetzen, würde nicht 
zuverlässig funktionieren. Beim Loslassen des Joysticks muss der 
Widerstand voll überbrückt sein, damit sich der mal wieder verklemmte 
Servomotor endlich wieder in seine Mittelstellung versetzt)

[MiMa (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Es sind fünf Boote, viele teure ENELOOP sowie stärkere Panasonic (5 * 8
> AA) Zellen und die Akkupacks sollen nicht unnötig strapaziert werden

Die werden doch auch (fast) genau gleich strapaziert, wenn du den 
Widerstand bei nicht Vollaussteuerung überbrückst, denn da fällt nun mal 
die höchste Verlustleistung an.

Wenn du es aber "schöner" haben möchtest, dann kann ich dir noch einen 
Vorschlag anbieten :-)
Schalte in den Pfad zwischen der Elektronik und dem Servo eine 
Konstantstromquelle (Oder eben zwei bidirektionale. Alternativ wenn die 
"Lenkelektronik" von der "Fahrelektronik" abgegrenzt ist, genügt auch 
eine Stromquelle davor). Bei halber Aussteuerung von dem Motor steuert 
diese komplett auf -> "keine" Verluste.
Bei voller Aussteuerung begrenzt sie den Strom und somit proportional 
auch das Drehmoment. Die Verluste sind dann maximal so groß wie mit dem 
Widerstand.
Als Konstantstromquelle könntest du den LM317 verwenden. Wäre für mich 
die schönste Lösung :-)


Nik T. schrieb:
> MiMa schrieb:
>> Wieso nicht den Widerstand durch eine kleine Glühlampe ersetzen?
>
> nicht "ersetzen", sondern ergänzen

Nik T. schrieb:
> (Den Widerstand bloß durch die Glühlampe zu ersetzen, würde nicht
> zuverlässig funktionieren. Beim Lenken muss der Widerstand voll
> überbrückt sein, damit sich der mal wieder verklemmte Servomotor endlich
> wieder in seine Mittelstellung versetzt)

Nein ich meine wirklich ersetzen. Die Widerstandsänderung einer richtig 
dimensionierten Glühbirne in deiner Anwendung kann durchaus Faktor 10 
betragen zwischen heiß und kalt. -> 6.8Ohm -> 680mOhm -> Sollte kein 
Problem mehr sein, außer das Boot ist schon so am Anschlag..

[Nik T. (micronik)]

gut MiMa ;-),

dann werde ich mich am WE mit diesem deinen Vorschlag intensiver 
auseinander setzen. Danke dir!

Oben habe ich allerdings geschrieben

> Beim Loslassen des Joysticks muss der Widerstand voll überbrückt sein,
> damit sich der mal wieder verklemmte Servomotor endlich wieder in seine
> Mittelstellung versetzt)

und nicht "Beim Lenken ..."

Es ist ein großes Manko hier im Forum, dass die Beiträge nicht 
korrigiert werden können. Dies führt zwangsweise zu vielen 
Missverständnissen. Wir kriegen es zwar hin, aber für die Leser und 
Helfer ist es so sehr - sehr umständlich, da es sich so viel Verwirrung 
aufwirbelt.

Gruß
MicroNik

[MiMa (Gast)]

Nik T. schrieb:
> Oben habe ich allerdings geschrieben
>
>> Beim Loslassen des Joysticks muss der Widerstand voll überbrückt sein,
>> damit sich der mal wieder verklemmte Servomotor endlich wieder in seine
>> Mittelstellung versetzt)
>
> und nicht "Beim Lenken ..."

Oh mein Fehler. Normalerweise lese ich mir alle Beiträge mindestens 3 
mal durch bevor ich eine Antwort schreibe ;-)


Nik T. schrieb:
> dann werde ich mich am WE mit diesem deinen Vorschlag intensiver
> auseinander setzen. Danke dir!

Gerne und viel Spaß dabei :-)