8-Richtungs-Orientierungsblinker (Leitstrahlboje)

Letztmalig dran rumgefummelt: 15.11.11 08:21:36

Es gibt ihn leider nicht mehr: den elektronischen Würfel mit Ausrolleffekt. Gebaut haben wir ihn so um 1984 herum - kombiniert mit einer Kreideschachtel, die wir im Werkunterricht hergestellt haben als Batteriekammer. Bis heute ist diese Schaltung an Eleganz sowie Einfachheit kombiniert mit wahnsinnig komplexen Funktionen sowie Anzeigen, kaum zu überbieten.

1. Schaltungsbeschreibung
2. Aufbauhinweise
3. Aufbauhinweise

IC-Schaltungen

8-Richtungs-Orientierungsboje

8-Richtungs-Orientierungsblinker (Leitstrahlboje) - das Logo

inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

Informatik-Profi-Wissen

Quellen:

Nach Andreas Geigenmüller in "Elektronisches Jahrbuch" S. 261 ff.

1. Schaltungsbeschreibung

Bereits in früher wurde für die beschriebene Leitstrahlboje ein relaisgesteuertes Modell für Versuchszwecke vorgestellt. Der Amateur konnte sie, dem technischen Stand entsprechend, seinerzeit jedoch nicht vollelektronisch realisieren. Mit TTL-IS ist eine derartige Ausführung nunmehr relativ einfach möglich (Bild unten). Aufgabe dieser Gelände-»Navigationshilfe« ist es, auf größeren Binnengewässern u. ä. die relative Standortbestimmung eines Wasserfahrzeugs in Bezug auf den Bojenstandort bei Nacht und ohne Bordhilfsmittel zu ermöglichen. Die Himmelsrichtung, aus der der Betrachter die Boje sieht, wird durch einfaches Auszählen ihrer Lichtsignale ermittelt. Dabei sind 8 Richtungssektoren zu unterscheiden. Mit 2 Bojen ist an Hand einer Gewässerkarte eine relativ genaue Bestimmung des eigenen Standorts möglich. Andere Anwendungsmöglichkeiten dieses für Sportboote auf Binnengewässern erfolgreich erprobten Verfahrens bleiben dem Einfallsreichtum des Amateurs überlassen.

Wie Bild unten andeutet, sind 4 Lampen E1 ... E4 vorhanden, die durch 2 gekreuzte Trennwände (Kreisradius bei den Mustergeräten: 35 cm) gegeneinander abgedeckt sind. E1 wird nach Norden ausgerichtet. Die im Gewässer (ähnlich einem kleinen »Leuchtturm.«) verankerte, in Bild 1 in Draufsicht gezeigte Boje erblickt der Betrachter seitlich. Zunächst sei, vereinfacht angenommen, dass jeweils nur eine Lampe aufleuchtet, und zwar (beginnend mit E1, dann E2, E3, E4 und wieder E1 usw.) für jeweils eine Sekunde. Ein im Sektor 1 befindlicher Betrachter sieht somit 1 s Licht, 3 s Dunkelheit, wieder l s Licht usw. Blickt man aus einer Zwischenrichtung z. B. aus Nordost auf die Kante der Trennwand, so ist in einem gewissen, durch die Lampenabstände von der Trennwand einstellbaren Sektor sowohl E1 als auch E2 erkennbar. Aus einiger Entfernung sind die Lampen nicht zu unterscheiden. Ein Beobachter sieht im Zwischensektor (bei NO und NW schraffiert angedeutet) jeweils 2 s Licht, 2 s Dunkelheit. Damit sind zunächst 8 Sektoren erreichbar. Es ist nun erforderlich, diese Sektoren unterscheiden zu können. Das ermöglicht ein eingefügter Kennimpuls, der aus 3-maligem kurzem Aufleuchten (für 0,5 s Dauer) aller 4 Lampen zugleich besteht. Er ist demzufolge gleichzeitig aus allen Richtungen zu erkennen. Eine Hell-Dunkel-Periode entspricht 1 s. Der Rhythmus übermittelt dem Beobachter auch den »Takt« für das folgende Auszählen. Nach dem dritten Kennimpuls setzt der beschriebene Umlauf, beginnend mit E1, ein. Hiernach folgen wieder 3 Kennimpulse, dann erneuter Umlauf mit 1 s Leuchtzeit je Sektor usw. Der Beobachter wartet lediglich die Kennimpulse ab und zählt ab diesen die Sekunden aus, bis er den (längeren) Sektorenlichtimpuls wahrnimmt. Ist das sofort nach der Kennung der Fall, so kann es sich nur um E1 handeln, d. h., der Beobachter befindet sich nördlich der Boje. Sieht der Beobachter nach den 3 Kennimpulsen zunächst 2 s Dunkelheit, dann 1 s Licht und wieder 1 s Dunkelheit (danach folgen die nächsten 3 Kennimpulse), so sieht er E3 und steht somit, südlich der Boje. Falls er 2 s Dunkelheit, danach jedoch 2 s Licht sieht, befindet er sich im Sektor 34, d. h. südwestlich. Diese Signalisierungsform hat sich als sehr einprägsam und leicht »lesbar« erwiesen, da sich ein Sekundenintervall ohne Hilfsmittel gut durch Mitzählen erfassen lässt und der 3-fache Kennimpulstakt eine zusätzliche Rhythmushilfe ergibt. Zur optischen Wirkung sei erwähnt, dass Versuchsmuster bereits mit Lampen 12 V/0,1 A oder 6,3 V/0,3 A (und mit Silberbronze aufgehellten Trennwänden, wobei nur die inneren z/s der Trennwandlänge reflektierend, das äußerste Drittel dunkel gefärbt wird) selbst in leicht diesigen Nächten über mindestens 1...2 km ausreichend zu erkennen sind.

Bild 1 - zum Prinzip und optischen Pfeil der 8-Richtungs-Orientierungsboje

Die Steuerelektronik muss abwechselnd den »Lampen-Umlauf« und die für alle 4 Lampen gleichzeitige Kennungstastung (mit doppelter Umlauffrequenz) erzeugen. Es gibt dafür 2 Möglichkeiten. Die erste veranschaulicht unten. Das zugehörige Impulsdiagramm verdeutlicht die Funktion. Vorhanden ist ein Taktgeber für 1 Hz (V1, Dl, D2) gemäß Bild 4.9..Mit R 1 und R2 stellt man auf 1 Hz und Tastverhältnis 1:1 ein. Am Ausgang des Gatters D2 steht der Takt cp (Bild 4.78) zur Verfügung. 3 FF (D3 D4; D5, 136; D7, D8) teilen die Frequenz, so dass an Q1 ...Q3die Impulse nach' Bild 4.78 bereit stehen. Sie . und ihre Negationen ?L.:.Q3 werden mit D13...DI6 so verknüpft, dass jeweils nur eines dieser Gatter ausgangsseitig L-Pegel führt. Ausgang D17 hat zunächst H-Pegel. Demzufolge erhält nacheinander Ausgang D9, D10, D 11, .1312 H-Pegel, womit die zugehörigen Lampenschalttransistoren V3...V6 entsprechend angesteuert werden. Es leuchten somit die Lampen E1 ... E4 nacheinander in der aus Bild 4.78 ersichtlichen Zuordnung auf. Da in dieser Umlaufperiode Q3 = L ist, sperrt D17. Mit dem vierten Umlauftakt geht Q3 nach H und j3 nach L, womit D13...D16 sperren und D17 öffnet. Vom Ausgang D1 wird D 17 nunmehr mit dem negierten Takt e angesteuert. D17 tastet D9 ...D12 und damit alle Lampen gleichzeitig hell. Nach weiteren 4 Takten schaltet Q3 Wieder auf L-Pegel, so dass der Umlaufzustand wieder hergestellt ist. D13...I)17 haben demzufolge die Funktion eines Zählerzustanddecoders für den mit den FF gebildeten Umlaufzähler. Besonders wichtig ist dabei D18. Wäre dieses Gatter nicht vorhanden, so würde der Kennimpuls (Bild 4.78) 4mal auftreten, wobei das erste Aufleuchten der Lampen unmittelbar an E4 anschließen würde. Aus Westrichtung wäre der Kennungsbeginn daher nicht eindeutig ersichtlich. Deshalb muss der erste der von ep gesteuerten 4 Kennimpulse ausgeblendet werden. Dieser Schritt ist durch die Zählerstandkombination ZY1 = M = H gekennzeichnet. Der Ausgang DI8 geht somit während des ersten Kennimpulses nach und sperrt damit D17, so dass cp für . diesen Schritt an D17 nicht wirksam werden kann. Der Schalter SI ist im Betriebszustand geöffnet. Er gestattet für Reparatur- und Wartungszwecke, alle' 4 Lampen auf Dauerlicht zu schalten.
Hierbei ist über D1 der Taktgeber gestoppt und Ausgang D1 = H. Ausgang l>18 geht ebenfalls nach H, und über die Diode V2 werden D13...DI6 eingangsseitig an L gelegt und damit gesperrt. Gleichzeitig liegt jetzt der Ausgang i3 über V2 an L. Dieser Ausgangskurzschluss an 138 schaltet den dritten Flip-Flop sofort um (Eingang D7 = L und Q3 = L). Es tritt also kein ständiger Ausgangskurzschluss des Gatters D8 auf! Bei D17 ist danach an allen Eingängen H vorhanden, so dass Ausgang D17 nach L geht und alle Lampen für die Schließdauer von S1 leuchten.
Die Schaltung nach Bild 4.77 kommt mit: 5 IS aus, benötigt dafür aber etwas größeren Aufwand an passiven Bauelementen für die FF. Mit weniger Aufwand, aber 6 IS vom Typ D 100 ist die funktionell gleichwertige Schaltung nach Bild 4.79 realisierbar. Ihr zugehöriges Impulsdiagramm zeigt Bild 4.80. Der Taktgeber mit V 1 und Dl, D2 ist der gleiche wie bei Bild 4.77. Hier wird jedoch ein etwas andersartiges, statisch arbeitendes Viertaktsystem be- ' nutzt, dessen Funktionsweise [21 näher erläutert. Es hat den Vorteil, an den Taktausgängen t1 bis t4 bereits aufeinanderfolgende L-Signale abzugeben (Bild 4.80). Ein ähnliches System zeigte bereits Bild 4.13. Das mit D5 ...D12 aufgebaute Viertaktsystem schaltet mit jeder. LH- und jeder HL-Flanke einen Schritt weiter und wird mit der halbierten Taktfrequenz angesteuert (Eingang D5, D6). Sie wird aus dem Takt cp durch 2:1-Teilung mit einem flankengetriggerten RS-FF (FFI) gewonnen. Für FF1 und FF2 wurden flankengetriggerte FF benutzt.' Der damit verbundene äußere- Bauelementeaufwand lässt sich einsparen, wenn FFI und FF2 durch je eine D 172 (Bild 1.6) ersetzt werden (dafür entfällt eine IS D100). Wählt man diese Ausführung, so ist bei FFI cp dem Takteingang des D 172 zuzuleiten, cp/2 liefert dessen Ausgang Q, V2 entfällt, die zu ihrer Katode führende Leitung wird mit dem R-Eingang der D 172 verbunden, S sowie J und K bleiben frei.

Bild 2 - 8-Richtungs-Orientierungsboje mit taktflankengesteuerten RS-FF

Bild 3 - Impulsdiagramm zu Bild 2

Bei Ersatz des FF2 durch D 172 ist dessen Ausgang t5 = Q (V3 wird beibehalten, ihre Anode an R geführt, S, J, K bleiben frei). Der Q-Ausgang des D 172 führt zu D13...D16. S2 wird direkt an R des D 172 bei FF2 (hinter der Anode V3, die aus diesem Grunde bleibt) angeschlossen, wobei V4 entfallen kann. Man benötigt auf diese Weise insgesamt 1 IS mehr, kommt aber mit einem Minimum an zusätzlichen Bauelementen aus.
Bild 4.80 verdeutlicht die Funktion. Während des Umlaufs ist FF2 in Stellung t5 = L und damit Ausgang D4 = H. In der Umlaufreihenfolge tritt mit jedem Taktschritt an t1, t2, t3, t4 L-Pegel auf, D13...D16 nehmen nacheinander ausgangsseitig H an, Lind über D17...D20 werden die Lampen entsprechend gesteuert. Mit der nachfolgenden HL-Flanke bei t1 schaltet FF2 um, Ausgang D23 geht nach L (D 13 ...D 16 sperren), t5 wird H und gibt D4 frei. Zu diesem Zeitpunkt hält t1 noch den Eingang von D3 auf L, so dass Ausgang D4 ebenfalls L ist und D17...D20 ausgangsseitig H sind (alle Lampen erloschen). Während der Zeit t l wird also über D3 der erste Kennimpuls ausgeblendet. Für die folgenden 3 cp-Takte ist t 1 = H, so dass Ausgang D2 des Taktgebers über D3 und D4 sowie D17...D20 alle 4 Lampen gemeinsam helltastet. Mit der nächsten HL-Flanke des t1 sperrt wieder D4, und die Kenntastung ist abgeschaltet, D13...D16 sind für den Umlauftakt freigegeben. Die Schaltung ermöglicht neben dem Dauerlichtschalter S1 für Wartungs- und Kontrollzwecke eine weitere, für die Praxis wichtige Funktion: Wird S2 geschlossen, so bleiben D13...D16 immer gesperrt und t5 auf H. Dadurch erreicht man eine ständige Kenntastung (3 Hellimpulse, eine Pause - entsprechend ausgeblendetem vierten Kennimpuls -, wieder 3 Hellimpulse usw.) ohne Einzelumlauf. Eine funktionsgestörte oder aus ihrer Verankerung gerissene und demzufolge nicht mehr korrekt auf Norden orientierte Boje lässt sich dadurch als eindeutig gestört ausweisen. Durch ihre Kennung ist sie aber noch als Boje sichtbar (bei Dauerlicht im Störungsfall besteht Verwechslungsgefahr mit anderen Lichtquellen!). Statt S2 ist z. B. eine Kompassnadel denkbar, die lichtelektrisch (Lampe oder Leuchtdiode mit Lichtempfänger nach Bild 4.84, sehr vorteilhaft auch die stromsparende Variante nach Abschnitt 4.2.6.!) abgetastet wird und, wenn sie von der Nordrichtung abweicht, ein L-Signal ergibt, das (bei S2 zugeführt) die Boje vollautomatisch als gestört kennzeichnet. Mit Sf in Bild 4.79 wird der Taktgeber gestoppt und FF2 so gesetzt, dass t5 = H und damit an D13...D16 eingangsseitig L vorhanden ist. Über D2 und D3 nimmt Ausgang D4 ebenfalls H an, D17:..D20 gehen nach L und schalten die Lampen ständig ein. D3 muss zu diesem Zweck auf beiden Eingängen H erhalten. Da bei Taktstop das Viertaktsystem in einer zufälligen Stellung stehenbliebe, setzt man FF1 über die Diode V2 so, dass bei cp/2 = L-Pegel t1= H ist und D3 öffnet. Bei der Lampensteuerung ist zu beachten, dass (bei Bild 4.77) H-Pegel an den Ausgängen der Gatter D9 ...D12 die Lampen einschaltet, bei Bild 4.79 dagegen mit L-Pegel an D17...D20. In Bild 4.77 sind demzufolge npn-Transistoren verwendbar, was eine freizügigere Wahl der Lampenbetriebsspannung gestattet. Im Mustergerät wurden dafür 12 V benutzt. Bei Bild 4.79 ist wegen der jetzt erforderlichen pnp-Transistoren die Lampenspannung mit der maximal zulässigen Gatterausgangs-Sperrspannung (+6V) vorgegeben. Andernfalls muss man für D17...D20 in Bild 4.79 Gatter mit offenem Kollektorausgang und (je nach Typ) entsprechend höherer maximal zulässiger Kollektorsperrspannung verwenden! Dann ist eine entsprechend höhere Lampenspannung möglich. In Bild 4.79 wurde deshalb die Speiseschaltung auszugsweise mit angegeben.

Bild 4 - 8-Richtungs-Orientierungsboje mit taktflankengesteuerten RS-FF

Bild 5 - Impulsdiagramm zu Bild 4

Benutzt werden +6V; die Diode V9 reduziert die Speisespannung auf etwa 5,3 V für US. C2 ... C4 sind die üblichen (selbstverständlich auch bei Bild 4.77 erforderlichen!) Stützkondensatoren. Die Decoder- und Ausgangsgatter bzw. deren IS (1')9 ...D17 in Bild 4.77, D13...D20 in Bild 4.79) benötigen keine Stützkondensatoren. Für große Sichtreichweiten sind stärkere Lampen erwünscht, was allerdings entsprechende Stromquellen oder Kabelspeisung am Einsatzort der Boje voraussetzt. Steht Wechselspannung zur Verfügung, so können die Lampen unmittelbar über Thyristoren im Haibwellenbetrieb geschaltet werden (Bild 4.81). Die Lampennennspannung ist gleich der halben Speisewechselspannung: Für die Schaltung nach Bild 4.79 zeigt Bild 482 die' Ausführung. Falls nur Batteriebetrieb möglich ist, kommen Niedervoltlampen mit entsprechend kräftigen Leistungsschalttransistoren in Frage. Ansteuermöglichkeiten zeigt Bild 4.83. Die Dimensionierung richtet sich nach den vorgegebenen Lampen und der (frei wählbaren) Spannung UE. Der Transistor V7 muss für UE und den Lampenstrom ausgelegt sein (dabei Lampenkaltwiderstand beachten!), Rb ergibt sich aus dem Strotnverstärkungsfaktor β von V7 (V10) und (UE --1 V) entsprechend dem Basisstrombedarf für V7 (bei Bild 4.83a) bzw. für V10 aus diesem und URb x S V (bei Bild 4.83b).

2. Aufbauhinweise

Die gesamte Schaltung wurde bis auf die Anzeigeeinheit auf einer doppelseitig kaschierten Leiterplatte (Bild 2 und Bild 3) untergebracht. Eventuell kann man die wenigen Leiterzüge auf der Bestückungsseite auch durch Drahtbrücken ersetzen, dann genügt einseitig kaschiertes Basismaterial.

Die Leiterzüge werden nach dem Ankörnen der Lötaugen (durch die Vorlage) mit typofix-Abreibestreifen aufgetragen. Dafür eignen sich nicht nur die Universal-Electronic-Abreibeblätter, sondern auch veraltete oder beschädigte Muster anderer Electronic-Abreibeblätter. Die Rückseite der Leiterplatte kann erst nach dem Bohren der Lötaugen mit Abreibestreifen versehen werden, damit eine exakte Übereinstimmung der beidseitigen Lötstellen garantiert ist.
Beim Bestücken der Leiterplatte muss man gewissenhaft vorgehen. Ein Fehler, besonders beim Einsetzen der Schaltkreise, ist durch das stellenweise beidseitige Verlöten kaum noch verlustlos zu bereinigen. Die LED werden in ein entsprechendes Anzeigefeld montiert (Bild 4) und frei verdrahtet. Es wäre mich hier der Einsatz einer Leiterplatte möglich. Die Betriebsspannung wird durch einen Simeto-Schiebeschalter ein- bzw. ausgeschaltet
Die Gestaltung des Gehäuses hängt wesentlich von den verfügbaren Materialien ab. Beim Muster (Bild 5 und Bild 6) kamen 2 Plastwandfliesen sowie Teile des Tragebügels eines längst «verblichenen» Stern-Radiokoffers zum Einsatz. Zur Sicherung einer langen Verwendbarkeit sollte man 3, besser 4 Babyzellen als Stromquelle verwenden (bei 4 Babyzellen eine Si-Diode in Durchlassrichtung in Reihe zur Spannungsquelle schalten!). Bei der Gestaltung des Gehäuses sollten nachfolgende, allgemeine Grundsätze beachtet werden:

das Gerät muss sehr standfest sein
die Anzeige soll in möglichst großem Winkel ablesbar sein
der Charakter eines Würfels sollte nicht völlig verloren gehen
die Sensorflächen sollten möglichst groß und aus korrosionsbeständigem metallischem Material sein
die Stromversorgung sollte kontaktsicher angebracht sein und leicht zugänglich untergebracht werden
für alle Transistoren und Schaltkreise können Basteltypen verwendet werden.

VT1/VT2 - SC206 o. ä., B >=200
VT3/VT4 - SC 206e/f o. ä.
VT5...VT7 - SC206 o. ä., B >= 100
D1 - D 100 D o. ä.
D2 - D 193 D, D 192 D ö. ä. (P-Typen)
LED1...LED7 - VQ4 13/23/33 o. ä.

Die Farbpunkte auf den anderen Würfelflächen in Bild 6 sind mit entsprechender Reflexfarbe aufgetupft.

3. Erfahrungen

Die angefertigten Muster funktionieren bei richtig bestückter Leiterplatte alle auf Anhieb und heute noch zuverlässig. Die Ausnahme bildeten wenige Regentage, als das Gerät wegen der hohen Luftfeuchtigkeit auf dem Campingplatz schlichtweg «durchlief». Deshalb sollte man der isolierten Montage der beiden Sensorflächen SF große Beachtung schenken.

Die Muster arbeiteten mit einem Batteriesatz über mehrere Monate bei unterschiedlicher Einschaltdauer.
Experimentierfreudige seien auf die Möglichkeit der Fernbedienung über Kabel und auf parallel geschaltete Taster am großen Spieltisch hingewiesen: Auch eine Großanzeige über Relais oder Thyristoren, vielleicht im Pionierhaus, Schulklub oder auch im Freien, ist denkbar.

Literatur

(1] M. Hartmann, Elektronischer Würfel mit Ausrolleffekt. FUNKAMATEUR, Heft 11/1982, Seite 564/565.

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... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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