Für den Betrieb des Miniroboters wird eine stabile Gleichspannung von 5 V benötigt als Spannungsversorgung der ICs sowie je nach Schrittmotor, der im Modell für die Drehung verwendet wird, eine möglichst stabile Gleichspannung von 12 V. In Fachzeitschriften, wie z. B. „Elektor" [1] und „ELV journal" [2] sind in verschiedenen Ausgaben immer wieder geeignete Schaltungen zum Selbstbau solcher Netzgeräte veröffentlicht worden. Es gibt auch, wie ich finde, kostengünstige Bausätze z.B. bei Conrad [3], ELV [2] oder Pollin [4] zu kaufen. Daher verzichte ich an dieser Stelle auf die Darstellung eines konkreten Schaltplans.
Auf dem Bild ist ein selbstgebautes Doppel-Netzgerä" zu sehen, das zwei stabile einstellbare Gleichspannungen für einige meiner Elektronik-Projekte bereitstellt. Auf der Eingangsseite links befinden sich zwei Adapterbuchsen, die für übliche Steckernetzteile passen. Jeweils eine Diode des Typs 1N4003 dient als Verpolungsschutz.
Warum die Elektronikschaltung für die Schrittmotorsteuerung selbst neu erfinden?
Ich wusste es genau, dass in einer früheren Ausgabe der Zeitschrift „Funkschau" aus dem Franzis-Verlag [5] eine für meine Zwecke sicher brauchbare Schaltung zur Schrittmotorsteuerung veröffentlicht worden war. Doch wo hatte ich diese abgelegt? Zum Glück hatte ich damals beim Umzug nicht alle älteren Fachzeitschriften zum örtlichen Papiercontainer gebracht und hatte dieses Funkschauheft neben anderen auch aufgehoben.
Wie schön wäre es, wenn es die Jahrgänge der „ELO", der „Funkschau" und der „MC" vom Franzis-Verlag [5] auf DVDs gäbe, ähnlich wie man die Inhalte früherer Ausgaben der Fachzeitschriften vom Elektor-Verlag [1] und vom Heise-Verlag [6] auf DVDs abgespeichert kaufen kann! Ich kann mir vorstellen, dass es anderen Hobbyelektronikern ähnlich wie mir geht. Möglicherweise plant man beim Franzis-Verlag bereits solche DVDs.
Die folgende Schaltung aus einer Ausgabe der Fachzeitschrift „Funkschau" [5] unter der Rubrik „Praxis und Hobby" gefiel mir sehr gut. Es sind bereits mehrere Schaltungen zur Schrittmotoransteuerung mit ICs in Zeitschriften und Fachbüchern veröffentlicht worden, doch ich habe bewusst diese hier ausgewählt.
Ich tat dies aus folgenden Gründen:
1. Beim Ausschlachten von Elektronik-Platinen konnte ich bisher noch nie ein Schrittmotor-IC finden, während die anderen Bauteile, wie sie in der Schaltung oben im Bild vorkommen, zum großen Teil auf solchen Platinen, die ich zur Verfügung hatte, vorhanden waren und nur auszulöten waren.
Es müssen neben dem 74LS193 und dem 74LS86 (auch jeweils als HC-Typ erhältlich) nicht genau die in der Schaltung angegebenen Transistoren sein, wie ich herausfand.
Es können statt des BD 237 [npn-Typ) und BD 238 (pnp-Typ) auch Typen mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden, und die Schaltung funktioniert ebenso.
Das Internet bietet diesbezüglich eine Fülle von Informationen in Form von Datenblättern (datasheets).
2. Außerdem konnte ich beim Betrieb der Schaltung mit einem Schrittmotor verschiedene Prüfungen und Messungen durchführen, um ihre Funktionsweise vom 74 LS193 bis hin zu den Transistorstufen zu begreifen.
Das erste IC mit der Bezeichnung 74LS193, ist ein synchroner programmierbarer Vorwärts/Rückwärts 4-Bit Binärzähler, der beim Anlegen des Taktimpulses an Eingang 5 aufwärts zählt, während Eingang 4 auf ca. 5 V (1- Signal) liegt . Wählt man den Eingang 4 als Takteingang und legt den Eingang 5 auf ca. 5 V (1-Signal), dann zählt das IC abwärts. Diese Möglichkeit wird hier in der Schaltung zur Drehrichtungsänderung des Schrittmotors genutzt.
Der Vorwärts/Rückwärtszähler erzeugt im Zusammenwirken mit dem zweiten IC vom Typ 74LS86, das vier Exklusiv-ODER-Gatter mit je zwei Eingängen besitzt, das für die Drehung des Läufers im Schrittmotor notwendige Bitmuster, wie es z. B. in einem Fachbuch von Burkhard Kainka [7] ausführlich erläutert ist.
Da die Exklusiv-ODER-Gatter nicht genügend Strom für die Spulen des anzuschließenden Schrittmotors abgeben können, steuern die vier Ausgänge des 74LS86 jeweils über Vorwiderstände von 820 Ohm Leistungstreiber bestehend aus Transistoren an. Die Dioden D1 bis D8 schützen diese vor Zerstörung durch Induktionsspitzen während des Schaltens. Die Widerstände R9 und R10 sorgen jeweils für 1-Signal am zweiten Eingang des 74LS193, während dem ersten das Taktsignal zugeführt wird.
Die erste Spule des vorhandenen bipolaren Schrittmotors für die Drehung des Miniroboters wird an die Anschlussklemmen A und B, die zweite an C und D angeschlossen. Für den zweiten Schrittmotor, der die Linearbewegung der Roboterarms ermöglicht, muss eine weitere solche Schaltung vorhanden sein. Zusätzlich werden in jede der Zuleitungen zu den beiden Spulen des Motors Vorwiderstände eingefügt, um die Stromaufnahme für den kleinen Motor mit einem Spulenwiderstand von jeweils ca.16 Ohm zu begrenzen ( laut Blatt des Händlers , das dem Motor beiliegt, 0,15 A ). Mit diesen Angaben können Größe und Leistungsaufnahme der Vorwiderstände berechnet werden.
Als eine der Schaltungen fertiggestellt war, schloss ich einen Schrittmotor daran an und versuchte durch kurzzeitiges Verbinden des UP-Eingangs bzw. des DOWN-Eingangs mit dem Minuspol der Spannungsquelle(GND, Masse) dafür zu sorgen, dass der Läufer des Motors sich drehte.
Zu meiner Überraschung stellte ich fest, dass dieser sich dabei „sprunghaft" verhielt.
Mit der Skala aus Papier, die ich unter den Schrittmotor legte, war das „Ruckeln" des Läufers deutlich zu erkennen.
Ich erinnerte mich daran, dass ich in dem kleinen Buch von Ufermann [8] etwas über das Prellen von Kontakten gelesen hatte, und darüber, wie man dies mit einem Flip-Flop abstellen konnte.
Also baute ich mir zwei solcher Flip-Flops auf, allerdings mit einem IC 74LS00, das vier NAND-Gatter mit je zwei Eingängen enthält. Dies ist der Plan dazu:
Die LED, die am DOWN-Eingang des 74LS193 angeschlossen ist, muss durch Betätigen des entsprechenden Tasters leuchten (1-Signal ), während die andere durch abwechselndes Betätigen der beiden zugeordneten Taster blinkt (Taktsignal am UP-Eingang) und umgekehrt.
Mit dieser kleinen Hilfsschaltung im Bild oben konnte ich auch beim Läufer dieses Schrittmotors feststellen, dass er nicht mehr „ruckelte", sondern sich gleichmäßig bewegte, was an der gleichmäßigen Bewegung des Zeigers zu erkennen war.
Die Vorwiderstände sind für den kleinen Schrittmotor eigentlich überdimensioniert, aber ich hatte gerade keine anderen zur Verfügung.
Nun war ich mit den beiden Flip-Flops als Hilfe in der Lage, die Vorgänge der Schrittmotorsteuerung sozusagen in „Zeitlupe" ablaufen zu lassen und konnte die oben erwähnten Prüfungen und Messungen noch besser als zuvor durchführen.
Achtung! Roboter in Aktion!
Ein Blinklicht soll auf die Aktionen des Miniroboters (Drehen, Arm auf- und abwärts fahren, Magnet-Greifer ein- und ausschalten) aufmerksam machen .In der Praxis ist ein Roboterarbeitsplatz ein für den Menschen gefährlicher Bereich und muss durch besondere Schutzvorrichtungen abgesichert werden.
Das Blinklicht wird mit einem Taktgenerator und einer Leuchtdiode verwirklicht. Als Vorlage für die Schaltung diente mir eine Abbildung im Buch von Ufermann [8], die ich für mein Robotermodell geringfügig veränderte. In der ursprünglichen Schaltung fehlen R1 sowie R2. Mit ca. 5V am Eingang 1 des CD 4093 wird der Taktgenerator eingeschaltet, während er bei 0-Signal (z. B. Verbinden des Eingangs mit GND, Masse) stoppt. Der Vorwiderstand vor der Leuchtdiode begrenzt den Strom auf weniger als 2 mA.
Ohne Strom funktioniert kein Lasthebemagnet.
Die übrigen beiden Schmitt-Triggerstufen im CD 4093 können z. B., wie es hier oben abgebildet ist, verwendet werden, um den Transistor BC 550 über einen Vorwiderstand anzusteuern.
Er schaltet den Magnet-Greifer ein, wenn an den Eingängen 13 und 14 des Ics ca. 5 V (1-Signal) liegt, während bei 0-Signal die aufgenommene Last losgelassen wird.
D1 schützt als sogenannte Freilaufdiode den Transistor in der Schaltung, indem sie die entstehenden Induktionsspannungen ableitet.
Die passende Ergänzung zu diesem Artikel:
 | Roboter selbst bauenr Softcover, 300 Seiten, CD-ROM
ISBN 978-3-7723-4109-0
Versandkostenfrei* direkt beim Verlag bestellen
49,95 € 
|
