LEGO Infrarot Fernsteuerung - die ersten Schritte

Motivation

Seit einiger Zeit trage ich mich mit dem Gedanken, meine Schienenfahrzeuge mit Akkus zu betreiben und damit auf die Nachteile des Schienenstroms zu verzichten. Wie auch bei analoger oder digitaler Steuerung wird eine Regelung benötigt, mit der das Fahrzeug vorwärts und rückwärts in verschiedenen Geschwindigkeiten fahren kann. Die erste Variante derartiger Steuerungen, die ich mir angesehen habe, ist die LEGO IR-Steuerung. Erst später habe ich Funkfernsteuerungen kennengelernt.

Das Lego-System

LEGO Power Functions Systemübersicht

Das System ist bei Lego seit einigen Jahren erhältlich, der neue Sender erschien nachträglich. In kurzen Punkten besteht das System aus:

  • 2 Handsender-Varianten
  • Empfänger zur Steuerung von zwei Funktionen (2 Motoren oder Motor und Licht)
  • 2 verschiedene Motoren
  • Batterie- und Akkubehälter
  • verschiedene Verbindungskabel

Das System besitzt folgende Funktionsmerkmale:

  • Sender und Empfänger können auf 4 Kanälen kommunizieren. Damit können 4 Fahrzeuge gleichzeitig mit 4 Sendern und 4 Empfängern betrieben werden.
  • Jeder Sender kann zu einem Zeitpunkt nur auf einem Kanal senden.
  • Der Sender steuert zwei verschiedene Funktionen, der Empfänger besitzt dazu zwei Anschlüsse für Motoren, Licht etc.
  • Der Empfänger kann Verbraucher mit insgesamt 1A steuern.
  • Der Sender 8879 steuert Motoren mit 7 Fahrstufen, die über das Steuerrad eingestellt werden.
  • Das Steuerrad unterstützt Rechts- und Linkslauf, wobei es keinen festen Nullpunkt gibt.
  • Die optische Verbindung zwischen Sender und Empfänger ist nur dann notwendig, wenn gerade ein Steuerbefehl (Steuerrad oder Stoptaste) abgegeben wird.
  • Das System ist für eine Versorgungsspannung von 9 Volt (6 AA-Zellen) ausgelegt. NiMN- mit 7,2 oder LiPo-Akkus mit 7,4 Volt sind auch möglich. Der Sender benötigt 4,5 Volt aus 3 AAA-Zellen.

Artikelübersicht (Preis 7/2011 Lego-Onlineshop):

Artikelnr. Bezeichnung Preis
8879 IR-Fernsteuerung (Sender), 4 Kanläle, 2 Stop- und 2 Richtungstasten, 3 AAA Batterien 14,49€
8884 IR-Empfänger, 4 Kanäle, Funktionen 19,99€

Links

Erste Übungen

Bisher war alles Theorie, jetzt sind die bestellten Teile von LEGO angekommen. Der Sender ist doch kleiner wie erwartet. Die gesamte Baugruppe ist aus Kunststoff und macht einen robusten und farbenfrohen Eindruck.

Die Drehregler mit Raststufen des Senders lassen sich mit zwei Fingern besser bedienen. Auf der Rückseite ist das Akkufach mit einer Schraube gesichert. Auf dem oberen Bild steht der Sender zum Größenvergleich auf einer IIf-Lore.

Der erste Funktionstest bei 9 Volt mit einem LEGO-Motor verlief problemlos. Der Empfänger kann auch mit geringeren Spannungen betrieben werden. Übliche Akkus mit 7,2 (NiMH) oder 7,4 (LiPo) sowie 4,8 Volt sind nutzbar.

Mit dem Drehrad des Senders sind 7 Fahrstufen einstellbar. Ich habe die Ausgangsspannungen in den Fahrstufen gemessen und nachfolgend für zwei Varianten dargestellt.

Akku-Spannung 7,2V

Fahrstufe Ausgangsspannung
1 1,75 V
2 2,61 V
3 3,48 V
4 4,35 V
5 5,22 V
6 6,05 V
7 6,93 V

Akku-Spannung 4,8V

Fahrstufe Ausgangsspannung
1 1,08 V
2 1,77 V
3 2,36 V
4 2,95 V
5 3,53 V
6 4,13 V
7 4,69 V

In der verwendeten Betriebsspannung ist das System sehr flexibel, jedoch sollten die 9 Volt Maximalspannung nicht überschritten werden. Ich denke, dass ein 7,2 Volt NiMH-Akku in Verbindung mit einem 6 Volt Getriebemotor sehr gut geeignet ist. Die 7 Fahrstufen halte ich für ausreichend. Bei einer vorbildgerechten Maximalgeschwindigkeit von 14 Km/h beträgt ein Fahrstufenschritt 2 Km/h. Das ist schon feinfühliges Fahren.

In einem anderen Test sollte der Regner Feldbahnantrieb sein Können zeigen. Die Geschwindigkeit dieses Antriebs bei 7,2 Volt ist zu gering, da das Getriebe sehr stark untersetzt ist und bei 12 Volt gute Langsamfahreigenschaften besitzt.

Der Infrarot-Empfänger passt mit seinem Gehäuse nicht in ein Feldbahnfahrzeug. Nach der Entkleidung bleibt die 28*25 mm große Platine mit der IR-LED und dem Kanalumschalter übrig. Die Platine ist beidseitig bestückt.

Die IR-Empfangsdiode habe ich erst einmal auf der Platine belassen. Diese könnte in das Fahrzeug so eingebaut werden, dass die Diode oben aus dem Gehäuse herausschaut. Es muss zwischen Sender und Empfänger nicht immer eine direkte optische Verbindung bestehen – durch Reflexion werden Signale ebenfalls übertragen.

Im Rahmen der Vorbereitungsarbeiten habe ich alle Anschlusskabel entfernt und farbige Litzen angelötet.

An dieser Stelle sind die Vorbereitungsarbeiten zur Steuerung erst einmal beendet. In der nächsten Phase kümmere ich mich um Motor und Getriebe.

Motor und Getriebe

Der letzte Abschnitt zeigte, dass ich für den Betrieb der Feldbahn die LEGO Infrarotsteuerung mit 7,2 Volt nutzen möchte. Ein 6 Volt Motor ist gerade richtig. Doch welche Drehzahl soll der Motor haben?

Berechnungen

Wir suchen die Drehzahl des Motors für vorbildgerechtes Fahren im Maßstab 1:22,5. Folgende Variable sind bekannt:

  • Vorbildgeschwindigkeit im km/h
  • Modell-Raddurchmesser in mm
  • Maßstab 1:22,5
  • Untersetzung des Motorgetriebes

Die benötigte Motordrehzahl wird berechnet:

  • Aus der Vorbildgeschwindigkeit und dem Maßstab berechnen wir die Modellgeschwindigkeit.
  • Der Weg des Modells in einer Sekunde ist damit leicht erkennbar.
  • Der Umfang des Feldbahnrades wird mit der Formel π*d berechnet. Bei 18mm Durchmesser des Regener-Feldbahnrades ergibt sich ein Umfang von 56,5 mm.
  • Das Rad muss sich nun Weg/Radumfangin einer Sekunde bewegen, um die Strecke zu absolvieren. Dieser Wert mit 60 multipliziert ergibt die Umdrehungen des Rades je Minute für diese Strecke.
  • Wenn als Getriebe zwischen Motor und Achse eine 1:1 Verbindung mit Kegelrädern hergestellt wird, ergibt die Radumdrehung*Getriebeuntersetzung die erforderliche Motordrehzahl.

Für Regner-Feldbahnradsätze 18mm im Maßstab 1:22,5 ergeben sich folgende Rechenbeispiele:

V(Vorbild) Radumdrehungen
3 Km/h 40 U/min
5 Km/h 65 U/min
7 Km/h 92 U/min
10 Km/h 131 U/min
12 Km/h 157 U/min
14 Km/h 183 U/min

Der benötigte Getriebemotor hat eine Drehzahl zwischen 40 und 180 Umdrehungen je Minute. Bei 6 Volt sollten die 180 Umdrehungen abgegeben werden.

Für meinen Antrieb möchte ich größere Radscheiben verwenden. Fermatec lieferte mir 22,5 mm Radscheiben aus Edelstahl. Die Größe der Räder entspricht genau denen des Regner-Feldbahnantriebsblocks. Für diese Radgröße werden folgende Drehzahlen benötigt:

V(Vorbild) Radumdrehungen
3 Km/h 32 U/min
5 Km/h 54 U/min
7 Km/h 75 U/min
10 Km/h 107 U/min
12 Km/h 129 U/min
14 Km/h 150 U/min

Der benötigte Getriebemotor hat eine Drehzahl zwischen 30 und 150 Umdrehungen je Minute. Bei 6 Volt sollten 130 Umdrehungen abgegeben werden.