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Kamera Remote-Head

Seit dem damaligen Bau einer Schaltung für Valentin Steiner(externer Link) und seinem selbst gebauten Kamera-Kran gibt es immer wieder Anfragen zu diesem Thema. Deswegen habe ich mich dazu entschieden endlich mal eine Schaltung zu entwerfen, die möglichst als Basis für viele Bastler dienen kann und den Selbstbau erleichtert. Auch um es mir so einfacher zu machen bei Anfragen zu antworten, da das Design nur immer leicht verändert werden muss.

Vor etwa einem Monat erhielt ich die Anfrage von Erhan aus Emmerich, der Hilfe bei einer Steuerung für seinen Remote-Head brauchte. Zu dieser Gelegenheit entstand diese Schaltung.

Als Versorgung soll ein 12Volt-Akku oder wahlweise ein 12Volt-Netzgerät verwendet werden. Als Bedieninterface wurde ein Joystick wie er in der PS2 üblich ist gewählt. Dieser kann als Einzelteil nachgekauft werde und ist zumindest in baugleicher Form auch bei Reichelt(externer Link) zu bekommen. Im Folgenden ist der Schaltplan dargestellt.

Schaltplan der Kamerakopf steuerung.

Damit 12V-Motoren verwendet werden können, da sie wesentlich üblicher als 6 Volt Motoren sind, braucht die Schaltung eine analoge H-Brücke, die die Motoren auch umpolen kann. Es wurde bewusst auf eine Regelung per PWM verzichtet, um keine Störungen durch die Motorkabel auszusenden, die das Bild- oder Tonsignal stören könnten. Die höheren Verluste der linearen Regelung müssen in Kauf genommen werden.

Um die H-Brücke voll aufsteuern zu können und damit die Operationsverstärker genug Spannung haben, befindet sich auf der Platine eine Ladungspumpe. Diese arbeitet mit einem NE555, der aus der 12 Volt Versorgung einmal 24V als auch -12V erzeugt. Der verwendete LM358 kommt mit maximal 32V zurecht. Aus diesem Grund wird ein 7805 und ein 7905 verwendet. Sie begrenzen die zusätzlichen Spannungen auf -5V und +17V (Eingangspannung + 5V). So ist die Betriebsspannung der Operationsverstärker etwa 22V. Wie auf den Bildern weiter unten zu sehen, wurde jeweils die 1A-Variante im To220-Gehäuse verwendet. Diese sind natürlich überdimensioniert, was aber nicht schadet. Damit sie nicht durch Erschütterungen abbrechen können, wurden sie mit Heißkleber fixiert. Da an ihnen so gut wie keine Wärme entsteht, hält der Heißkleber hier gut.

Die Schaltung um den Joystick besteht im Wesentlichen aus zwei OPs (Operationsverstärker). Das Potentiometer des Joysticks bildet einen Spannungsteiler zusammen mit zwei Festwiderständen und einem kleinen Trimmer. So kann ein kleiner Offset ausgeglichen werden. Über den Trimmer kann dann der Spannungsteiler so eingestellt werden, dass in Ruhestellung genau die halbe Betriebsspannung anliegt.

Der Operationsverstärker verstärkt dieses Signal. Über ein Potentiometer kann die Verstärkung eingestellt werden. Die Schaltung liefert so für jeden Kanal eine Spannung, die in Ruhestellung bei 6 Volt liegt und durch den Joystick zwischen -4V und 16V geändert werden kann.

Dieser Teil der Schaltung ist so abgetrennt, dass er über eine 8-Polige-Leitung auch auf einer externen Platine untergebracht werden kann.

Die H-Brücke selbst besteht aus MOSFETs (IRF540 / IRF9540), die über OPs angesteuert werden. Eine Hälfte der H-Brücke wird über einen Spannungsfolger mit einer Verstärkung von eins angesteuert. Die zweite Hälfte über einen invertierenden Verstärker, ebenfalls mit der Verstärkung eins.

Die MOSFETs beinhalten intern schon die nötigen Freilaufdioden. Da kein PWM verwendet wird, halten sich die Ströme in Grenzen und die internen Freilaufdioden sind ausreichend. Die Freilaufdioden bieten auch einen Verpolungsschutz. Sie schließen bei falscher Polung die Betriebsspannung kurz und lassen die Sicherung durchbrennen.

Je nach Anwendung kann es sein, dass die H-Brücke entstört werden muss. Durch die Thresholdspannung der MOSFETs von etwa 3V bis 4V muss der OP beim Wechsel der Stromrichtung seine Ausgangsspannung möglichst schnell um ca. 8V ändern, was eventuell zu Schwingungen führen kann.

Das Foto zeigt die Platine von oben, man sieht die Bauteile und das Kühlblech für die MOSFETs.

Das Layout passt auf eine Eurokarte mit 100mm x 160mm. Die Leistungsbauteile der H-Brücke sind im linken Teil untergebracht und haben einen Abstand von 80mm, sodass wenn nötig auch ein passender CPU-Kühler eingesetzt werden kann. Die Bauteile müssen isoliert auf dem Kühler montiert werden, da jeweils die Kühlfahnen der vier MOSFETs auf einer Seite auf Plus und die der anderen Seite auf Minus liegen. Auf dem Bild ist ein Alublech montiert, welches die Wärme nach oben an ein späteres Alugehäuse abführen soll.

Die Platine von Rückseite.

Die Platine von der Vorderseite, man sieht die nötigen Lötbrücken.

Es handelt sich um ein einseitiges Layout, weshalb ein paar Lötbrücken auf der Vorderseite nötig sind. Zwei Verbindungen werden über einen Kupferlackdraht auf der Rückseite hergestellt, da für sie sonst zu viele Lötbrücken nötig wären.

Der verwendete Joystick stammt von Reichelt. Er muss etwas erhöht montiert werden, da die Kondensatoren etwa eine Höhe von 2,5cm aufweisen und der Joystick ganz nach oben ins Gehäuse muss. Dazu wurde aus Messingrohr und Distanzhülsen eine Art Hochstand gebaut, auf den der Joystick aufgelötet wird. Die Verbindungen der Potentiometer werden dann nach unten geführt. Auf dem nachfolgenden Bild ist diese Befestigung zu sehen.

Das Bild zeigt die erhöhte Befestigung des Joysticks auf der Platine.

Der Joystick federt nicht immer ganz exakt in seine Ruheposition zurück, sodass die Motoren teilweise auch langsam liefen, wenn der Joystick nicht berührt wurde. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein kleiner Totpunkt eingebaut. Dazu muss das Signal aus dem ersten OP durch zwei antiserielle Dioden, die dem Signal um die Ruhestellung 0,7 Volt in beide Richtungen abziehen. Somit wird bei 12 Volt Versorgung einen Totpunkt von 5,3 bis 6,7 Volt erreicht. Erst beim Verlassen dieses Bereichs wird die H-Brücke aufgesteuert.

Videolink

Es gibt von dem Gesamttest ein kleines Video (41 Sekunden, 16,5MB). Die beiden Motoren sind 15V-Motoren mit bis zu 4 Ampere Lastrom. In diesem Video drehen sie aber nur die kleinen Holzscheiben und haben einen geringeren Strom.

Nachtrag

Zu der oben vorgestellten Schaltung hat Erhan die ersten Komponenten seines Kamera-Krans hergestellt. Die hervorragende Konstruktion des Remote Heads kann in diesem YouTube-Video(externer Link) begutachtet werden.

Erstellt im Januar 12.