Aufbau
Das Gehäuse besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Oben ist der Elektromagnet und die Ansteuerelektronik untergebracht. In den beiden Stützen sind jeweils eine LED und eine Fotodiode eingebaut, sowie Kabel zum unteren Fußteil. In diesem ist der Netztrafo und Gleichrichter untergebracht.
Vorderansicht
Seitenansicht
Da meine Fähigkeiten in Sachen Metallbearbeitung auf Sägen, Bohren und Gewindeschneiden beschränkt sind, habe ich mir einen Aufbau aus handelsüblichen Strangpressprofilen ausgedacht. Bevor es ans Bauen ging, habe ich das Ganze in einem 3D-CAD-System entwickelt. Das hat sich im Nachhinein als sehr Nützlich erwiesen. Ich mußte keines der Teile mehrfach bauen und beim Aufbau hat alles sehr gut zusammengepasst. Das folgende Bild zeigt das 3D-Modell mit einigen transparent dargestellten Teilen. Die Außenwände im Fußteil und der vordere Kühlkörper oben sind komplett ausgeblendet um den Blick auf das Innere freizugeben.
3D-Modell
In dieser PDF-Datei ist das Ganze auch nochmal als 3D-PDF dargestellt. Man kann das Modell drehen und von allen Seiten betrachten. Außerdem kann man beliebig Komponenten Ein- und Ausblenden.
Hinweis: Im 3D-Modell sind keine Kabel dargestellt. Das ist ziemlich kompliziert und hat mir für die Planung des Zusammenbaus nichts genützt. Daher habe ich einfach darauf verzichtet.
SeitenanfangIm 3D-Modell ist natürlich einiges vereinfacht dargestellt, daher hier noch ein paar Fotos:
Ansicht von vorn (ohne Frontkühlkörper)
Der ganze Aufbau orientiert sich an dem Elektromagnet. Dieses Teil habe ich in meiner Sammelkiste gefunden und es war einer der wenigen Trafos, die ich so auseinandernehmen und wieder zusammenbauen konnte, daß er einen nach unten offenen Elektromagnet darstellen konnte. Der Innenwiderstand beträgt ca. 7Ω, was dann über die gewünschte Hebekraft auf eine Betriebsspannung von ca. 50V führt. Da der Magnet im Betrieb ziemlich warm wird, habe ich ihn über massive Alustangen mit dem hinteren Kühlkörper verschraubt. Wenn der vordere Kühlkörper montiert ist, kommt er auch in Kontakt mit den beiden vorderen Alustangen. Hier ist zusätzlich noch Wärmeleitfolie aufgeklebt, als Toleranzausgleich, da sonst der Kontakt nicht so besonders gut ist. Die weiße Masse an der Spule ist Wärmeleitpaste. Sie soll den Wärmeübergang zwischen der Spule und dem Eisenkern verbessern. Leider ist sie mittlerweile nach unten geflossen. Da hätte ich vielleicht etwas Zähflüssigeres nehmen müssen.
Die vier Alustangen am Magnet sind nach oben einige Millimeter überstehend, so daß die Ansteuerplatine direkt darauf geschraubt werden kann. Auf ihr ist ein MPS430F2012 eingebaut, der einen MOSFET über PWM ansteuert und so recht verlustarm den Magneten ansteuern kann. Alle Anschlüsse sind steckbar ausgeführt, so daß man die Platine leicht entnehmen kann. Vielleicht baue ich ja mal eine zweite Version mit einem anderen Prozessor auf, oder vielleicht doch nochmal eine analoge Ausführung.
Ansteuerplatine
Beim Layout der Leiterplatte mußte darauf geachtet werden, daß die nötigen Isolationsabstände eingehalten werden und natürlich auch, daß die Stecker montierbar sind. Da aber nur recht wenige Bauteile nötig sind, war der Aufbau ohne große Fallstricke möglich. Links im Bild sind zwei Stecker für Tasten und LCD zu sehen, die im normalen Betrieb nicht verwendet werden. Bei der Entwicklung hat es sich aber als sehr hilfreich herausgestellt, die einzelnen Reglerparameter einfach einstellen zu können, um so die optimale Auslegung des Reglers zu bestimmen. Aus meinen Erfahrungen mit dem Analogsystem wußte ich ja, daß das System prinzipiell funktionieren mußte. Ich habe also erst garnicht versucht irgendwelche Parameter auszurechnen, was mir auch bestimmt nicht gelungen wäre. Stattdessen kann man über drei Tasten die Parameter für P-, I- und D-Anteil ändern. Ein Display zeigt dann jeweils den Parameter an. Jetzt, wo das Gerät fertiggestellt ist, sind diese Parameter natürlich im EPROM abgelegt und werden vom Prozessor standardmäßig verwendet.
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Fußteil mit abgenommener Abdeckplatte
Im Fußteil ist der Netztrafo untergebracht. Es handelt sich um einen 80VA Trafo mit 2x18V und je 2,22A. Er ist genau unter dem Magnet eingebaut, so daß ich auf der Befestigungsschraube noch einen Puffer anbringen konnte. Dieser unterstützt die Bodenplatte, wenn die Kugel doch mal abfallen sollte, was bei intensivem Herumspielen schon mal passieren kann.
Im linken hinteren Teil befindet sich die Netzeingangsbuchse, eine Sicherung und der Netzschalter. Das ganze ist doppelt isoliert aufgebaut, so daß kein Schutzleiter benötigt wird.
Rechts vorne sind jeweils zwei Brückengleichrichter und Siebelkos eingebaut. Die beiden Spannungen sind hintereinander geschaltet und werden durch die rechte Stütze nach oben geführt. Man sieht das rot-schwarze Kabel darin verschwinden.