Elko-Kanone

Ein Elektrolytkondensator (kurz Elko genannt) ist ein gepoltes, passives elektronisches Bauteil, welches elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert. Maßzahl für einen Kondensator ist dessen Kapazität C mit der Einheit Farad (F).

Zwischen der gespeicherten elektrischen Ladung Q, der Spannung U und der Kapazität C besteht der einfache Zusammenhang Q = C · U. Die gespeicherte Energie ergibt sich zu E = 1/2 · C · U².

Achtung: Elkos besitzen einen festen Pluspol (Anode) und Minuspol (Kathode) und dürfen nur mit richtig gepolter Gleichspannung betrieben werden. Eine falsche Polung oder ein Betrieb an reiner Wechselspannung zerstört die dünne Oxidschicht. Aber genau um diese mutwillige Zerstörung wird es in diesem Experiment gehen…

Elkos bestehen meist aus zwei aufgerauten Aluminiumfolien, die durch ein mit flüssigem oder festem Elektrolyt getränktes Separatorpapier getrennt und aufgewickelt sind. Durch anodische Oxidation bildet sich auf der Anode eine extrem dünne Aluminiumoxidschicht, die als Dielektrikum wirkt. Neben Aluminium-Elkos gibt es auch Tantal-Elektrolytkondensatoren, die kompakter sind, aber strengere Spannungsgrenzen haben.

Neben der Kapazität C ist auf einem jeden Kondensator auch noch seine Spannungsfestigkeit U angegeben, welche natürlich auch nicht überschritten werden soll. Die in diesem Experiment verwendeten Elkos besitzen eine Kapazität von 1800 µF und eine Spannungsfestigkeit von 6.3 V. Wir werden sie aber bewusst falsch gepolt an eine hohe Spannung anschließen, um sie zur Explosion zu bringen. Gekauft habe ich 100 Stück davon bei AliExpress:

Die gewählten Elektrolytkondensatoren besitzen einen Durchmesser von 10 mm, werden dann in ein Plexiglasrohr gesteckt und zur Explosion gebracht. Auf Amazon bin ich auf folgendes Angebot eines 16/10 mm Rohrs gestoßen:

Die Wandstärke von 3 mm schien mir für mein Vorhaben sehr passend; von einem Rohr mit nur 1 mm Dicke würde ich dringend Abstand nehmen…

Passt sehr gut:

Damit mir der Elko bei der Explosion nicht nach vorne oder hinten abhaut, schnitt ich ein M3-Gewinde ins Plexiglasrohr, um den Kondensator mit einer Schraube fixieren zu können:

Um für eine möglichst abrupte Explosion zu sorgen, werde ich die Elkos mit einer möglichst hohen, falsch gepolten Gleichspannung versorgen; ich denke da an um die 60 V. Dazu habe ich mir auf Amazon folgenden Boost-converter besorgt:

Dazu kamen dann noch folgende Produkte in meiner Bestellung:

Die Messingrohre sind für das Projektil, welches wie ein Topf aussehen soll. An das kurze Rohrstück mit 9.5 mm Außendurchmesser löte ich dann eine Bodenplatte ebenfalls aus Messing oder Kupfer:

Der 5A Step-down-Converter soll die beiden Servomotoren versorgen, welche eine Spannung zwischen 5 und 6 V benötigen und unter Belastung beim Anfahren einzeln doch Ströme über je 2 A ziehen! Denn ich habe vor, die Pistole auf zwei Servomotoren zu montieren, damit ich diese horizontal und vertikal steuern kann. Deshalb auch der bestellte Joystick für einen Arduino…

Arduino-Programm:

#include <Wire.h>
#include <Servo.h> // Inkludiert die Servodateien

Servo servo_horiz; // Definiert den horizontalen servo
Servo servo_verti; // Definiert den vertikalen servo

int Poti_horizontal, Poti_vertikal;

int Poti_Pin_horizontal = A4;
int Poti_Pin_vertikal = A3;

float Winkel_horizontal, Winkel_vertikal;

float Winkel_Aenderung;

// ************************************
// ************** SETUP ***************
// ************************************

void setup()
{
Serial.begin(9600);

servo_horiz.attach(9); // Set horizontal servo to digital pin 9
servo_verti.attach(10); // Set vertical servo to digital pin 10

Winkel_horizontal = 90.0; // starting angle for horizontal servo
Winkel_vertikal = 20.0; // starting angle for vertical servo

servo_horiz.write((int) Winkel_horizontal);
delay(50);
servo_verti.write((int) Winkel_vertikal);

Winkel_Aenderung = 1.0;
}

// ********************************************
// ************** HAUPTSCHLEIFE ***************
// ********************************************

void loop()
{
Poti_horizontal = analogRead(Poti_Pin_horizontal);
Poti_vertikal = analogRead(Poti_Pin_vertikal);

if(Poti_horizontal < 510) // step to the left
{
if(Winkel_horizontal <= 175 - Winkel_Aenderung)
{
Winkel_horizontal = Winkel_horizontal + Winkel_Aenderung;
}
}

if(Poti_horizontal > 530) // step to the right
{
if(Winkel_horizontal >= 5 + Winkel_Aenderung)
{
Winkel_horizontal = Winkel_horizontal - Winkel_Aenderung;
}
}

if(Poti_vertikal < 510) // step up
{
if(Winkel_vertikal <= 90 - Winkel_Aenderung)
{
Winkel_vertikal = Winkel_vertikal + Winkel_Aenderung;
}
}

if(Poti_vertikal > 530) // step down
{
if(Winkel_vertikal >= 0 + Winkel_Aenderung)
{
Winkel_vertikal = Winkel_vertikal - Winkel_Aenderung;
}
}

/*
Serial.print("Poti_horizontal = ");
Serial.print(Poti_horizontal);
Serial.print(" ; ");
Serial.print("Winkel_horizontal = ");
Serial.println(Winkel_horizontal);

Serial.print("Poti_vertikal = ");
Serial.print(Poti_vertikal);
Serial.print(" : ");
Serial.print("Winkel_vertikal = ");
Serial.println(Winkel_vertikal);

Serial.println(" ");
*/

servo_horiz.write((int) Winkel_horizontal);
servo_verti.write((int) Winkel_vertikal);

delay(20);

}

Der Bau der verstellbaren Abschussbasis:

 

Zur adäquaten Dekoration habe ich mir folgendes Logo des österreichischen Bundesheers ausgedruckt:

Meine Amazon-Bestellung ist gestern angekommen und so konnte ich die Platine fertigstellen:

Der gesamte Aufbau aber noch ohne den step-up-converter:

Den Boost-converter betreibe ich mit 5 in Serie geschalteten Liion-Akkus mit einer Gesamtspannung von rund 20 V:

Die Arduino-Schaltung hängt an ca. 8.4 V, wobei ich die Spannung für die beiden Servos mit dem 5 A step-down-converter auf 5.5 V eingestellt habe:

Meine Arduino-Nanos haben eigentlich alle noch die Mini-USB-Buchsen, denn diese finde ich persönlich am robustesten:

Rechts der Taster, welcher laut Angabe 230V und 15 A aushalten soll:

 

Damit der Feuer-Taster möglichst gefährlich aussieht, habe ich mir dies noch ausgedruckt und foliert:

Der Step-up-converter, welcher konkret bis zu 64 V liefert:

Ich habe ja vor, die Elkos mit rund 60 V zur Explosion zu bringen. Damit der Strom nicht zu stark ansteigt, habe ich ihn auf maximal 1 A abgeregelt. Bei 60 V und 1 A beträgt die zugeführte Leistung eh schon beachtliche 60 W…

Meine ersten Schüsse werde ich mit „nur“ 30 V starten:

Die Messingrohr sind auch schon eingetroffen. Ich hatte mir ja diese besorgt, da ein 9.5 mm Rohr im Sortiment enthalten ist. Leider musste ich feststellen, dass das Plexiglasrohr einen Innendurchmesser von 10.5 mm statt wie angegeben 10 mm besitzt. Daher wackelt das 9.5 mm Rohr zu stark. Ich werde deshalb auch noch ein Messingrohr mit 10 mm Außendurchmesser besorgen…

So, ich habe einmal erste Tests mit dem 400 W step-up-converter durchgeführt und diese waren sehr ernüchternd. Der Elko ploppt selbst bei 60 V nur sehr bescheiden auf, viel zu wenig für den Antrieb eines Projektils:

 

Da grinst selbst Sponge-Bob vom Glas nur müde über dieses Ergebnis. Also Planänderung und es kommen nun mein 30V/30A-Netzteil in Kombination mit einem 1200 W step-up-Converter zum Einsatz, dessen chinesische Leistungsangabe natürlich maßlos übertrieben ist.

Damit könnte ich eine maximale Spannung von 91 V bereitstellen:

Hier sieht man im Hintergrund das 900 W Power-Labornetzteil mit max. 30 V und 30 A:

Über den Elko habe ich natürlich wieder ein Sponge-Bob-Schutzglas gestülpt:

Aber auch mit diesem Setup waren die Ergebnisse leider nicht so wie erhofft. Auch bei 70 V und kurzfristig um die 30 A explodierte der Elko nicht, sondern ploppte wiederum nur schnell auf… 🙁

 

Gerade bei dieser beachtlichen Leistung hätte ich mir wirklich deutlich mehr erwartet, eben eine schöne Explosion. Ich werde mich daher nächste Woche in meinem Stamm-Elektronikgeschäft Neuhold nach neuen Elkos umschauen und testweise gleich einige unterschiedliche Modelle mitnehmen, vorausgesetzt ich finde welche in passender Größe mit einem Durchmesser von 10 mm.

Da beim Anschluss des Elkos wirklich sehr hohe Ströme > 30 A fließen, habe ich mich nach einem gebrauchten Leistungs-Schütz, also im Grunde einem sehr leistungsfähigen Relais umgeschaut. Auf der österreichischen Verkaufsplatform http://www.willhaben.at bin ich fündig geworden. Und zwar habe ich mir konkret ein ABB AL26-30-10 gekauft, welches um die 45 A schalten kann und mit 24V DC angesteuert wird.

Hier der vollständige, neue Schaltplan:

Wenn es Neuigkeiten gibt geht es hier weiter…