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Elektronik in vielfältige Form hat längst ihren Einzug in Segelyachten vollzogen, und Yachteigner müssen sich deshalb nicht nur mit ihrer Existenz abfinden, sondern sich auch mit ihre Besonderheiten beim Einbau und Betrieb befassen. Dabei muss natürlich unterschieden werden zwischen der Handhabung von marktüblichen (Off the self) elektronischen Geräten und solchen, welche für die spezifischen Bedürfnisse von Yachteignern (Special to type) konfiguriert wurden.
Obwohl der Hersteller in der Regel Empfehlungen zum Einbau und Verkabelung mitliefert, bleibt es bei Geräten dieser Kategorie dem Eigner nicht erspart, sich genauer mit der Einbau- und Verkabelungsproblematik eines jeden Gerätes zu befassen.
Ausschlaggebend für die Wahl des Einbauortes und der Art der Verkabelung sind die EMC (Electromagnetic Compatibility) Eigenschaften des betroffenen Gerätes. Für den Einbau in einer Yacht sind letztendlich Daten über die maximale Feldstärke in [Volt/Meter] erforderlich, welcher das Gerät ausgesetzt werden darf, ohne, dass es eine Leistungseinbusse (Performance degradation) erleidet, also Fehlfunktionen aufweist. Darüber hinaus muss man wissen wie nahe das Gerät an einen Magnetkompass eingebaut werden darf, ohne dass die vom Gerät selbst ausgestrahlte elektromagnetische Felder zu Fehlanzeigen auf dem betroffenen Magnetkompass führen (Compass safe distance).
Detaillierte Angaben über die EMC Eigenschaften des Gerätes bekommt man in der Regel vom Hersteller nicht, dafür aber Empfehlungen über die Mindestentfernungen, die man von Störquellen einhalten muss wie z.B. laufende Motoren oder VHF- Sender, und von anderen auf elektromagnetischen Störungen empfindlich reagierenden Geräten, wie z.B. ein Magnetkompass, sowie Empfehlungen über die Art der Absicherung und Abschirmung der benötigten Verkabelung.
Hält man sich an die Empfehlungen des Herstellers im Bezug auf die Wahl des Einbauortes, so dürften beim späteren Betrieb des Gerätes keine EMC Probleme auftreten.
Solche Geräte oder Gerätegruppen entstehen entweder durch das Zusammenschalten von einzelnen Geräten bzw. deren Unterbaugruppen, oder durch den Bau von eigens für einen spezifischen Zweck entwickelten Geräten. In den nachfolgenden Kapiteln werden vom Autor selbst entwickelte, gebaute und im eigenen Schiff erprobte Geräte beschrieben.
Überlastungsschutz von Bordbatterien
Optimierung des Ladevorgangs von Bordbatterien
Ankerkettenzhlwerk
Überlastungsschutz von Bordbatterien
Zu den ständigen Sorgen eines jeden Bootseigners gehört der Zustand seiner Batterien. In der Regel sind zwar Motor- und Domestikbatterien elektrisch von einander getrennt, so dass bei einem Zusammenbrechen der Domestikbatterien aufgrund eines zu hohen Verbrauchs die Starterbatterie nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Es ist jedoch auf einem Langtörn mitten in der Nacht äußerst unangenehmen, wenn man den Motor starten muss, weil man sonst auf Positionsbeleuchtung und Navigationselektronik verzichten muss.
Es macht demnach Sinn, große Verbraucher wie Kühlschrank und 220V Wechselrichter nur solange im Betrieb zu lassen, wie der Zustand der Batterien noch ausreichende Reserven für den Betrieb von Positionsbeleuchtung und Navigationselektronik aufweist. Das Vorhandensein einer solchen Uberwachungseinrichtung stellt dann sicher, dass selbst wenn man die genannten Großverbraucher kontinuierlich eingeschaltet lässt, ein Zusammenbruch der Domestik- Versorgung auf jedem Fall verhindert wird.
In der unten aufgeführten PDF Datei wird unter der Überschrift "Battery overload protection" eine in analog Elektronik ausgeführte Schaltung beschrieben, welche dafür sorgt, dass der eingeschalteter Großverbraucher von der Batterie abgetrennt wird, wenn die Batteriespannung unter 12,25V fällt, und wieder eingeschaltet wird, wenn die Spannung auf 12,75V angestiegen ist.
Unter der Überschrift "PIC-Battery overload protection" findet man eine PDF Datei in der eine digital ausgeführte Schaltung - basierend auf den Microchip Mikrokontroller PIC 16F627A – beschrieben ist, welche dafür sorgt, dass der eingeschalteter Großverbraucher von der Batterie abgetrennt wird, wenn die Batteriespannung unter 12,0V fällt, und wieder eingeschaltet wird, wenn die Spannung auf 12 bzw. 12,5V angestiegen ist.
Die Schaltungen bestehen aus billigem Elektronik-Material und lässen sich leicht und schnell aufbauen. Ich betreibe sie seit einigen Jahren in meinem Schiff an zwei verschiedene Stellen und kümmere mich seit ihren Einbau nicht mehr darum, ob mein Kühlschrank oder der Wechselrichter aus Versehen über längere Zeit eingeschaltet bleiben. Natürlich verfügt die genannte Elektronik über einer Beipassschaltung mit Hilfe derer der abgeschalteter Verbraucher "bewusst" trotz niedrige Batteriespannung also <12 bzw, <12,25V wieder eingeschaltet werden kann.
PDF Dokument: "Battery overload protection"
PDF Dokument: "PIC-Battery overload protection"
Optimierung des Ladevorgangs von Bordbatterien
Bordbatterien werden unterwegs in der Regel nur bei laufender Maschine vom Alternator geladen, wobei die Trennung der Starterbatterie von der Domestik Batteriebank oft über Leistungstrennschaltern manuell erfolgt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass man den Ladezustand jeder Batteriebank kontinuierlich überwachen muss, um durch Umlegen des Trennschalters sicherzustellen, dass beide Batteriebänke auch geladen werden.
Diesen Nachteil stellen die Werften heute dadurch ab, dass sie standardmäßig Leistungstrenndioden anstelle von Trennschaltern verwenden. Damit entfällt der Zwang, den Ladezustand der einzelnen Batteriebänke kontinuierlich zu überwachen, und es wird darüber hinaus sichergestellt, dass beide Batteriebänke parallel und gleichmäßig geladen werden. Unabhängig davon, dass dieses Verfahren eine Vorzugsreihenfolge für das Aufladen der Batteriebänke nicht erlaubt (lowest win procedure), führt es auch dazu, dass aufgrund des Spannungsabfalls über die Leistungstrenndioden, welcher je nach Diodentyp zwischen 0,4 und 1,2V betragen kann, und der Limitierung der Ausgangsspannung des Alternators auf etwa 13,8V, die Batteriebänke nur bis auf etwa 13V geladen werden können, und damit noch nicht mal 70% ihre Ladekapazität erreichen.
Ein erster Schritt zu Überwindung dieser Problematik offerieren off the self Voltage Sensitive Relays (VSR). Es handelt sich hierbei um elektronisch gesteuerte Relais, welche die Trenndioden überbrücken oder gar ersetzen. Diese Relais verbinden unter Einhaltung einer vorgegebenen Reihenfolge- in der Regel hat die Starterbatterie Vorrang- eine Batteriebank direkt mit dem Alternator, sobald die Batteriespannung eine voreingestellte Mindestspannung unterschritten hat und trennen sie wieder, wenn sie die maximale Alternatorspannung erreicht hat.
Verwendet man im Schiff zusätzlich zum Alternator, alternative Versorgungsquellen wie z.B. Wind Generatoren oder Solar Panels, so ist es möglich, unter Zuhilfenahme von special to type Elektronik, die Bordbatterien optimal zu laden.
Nachfolgend wird in einer PDF Datei unter der Überschrift "NERAIDA Ladeelektronik" eine leicht aufzubauende Elektronik beschrieben, welche ich für das Aufladen einer 100Ah Starterbatterie und einer Domestic Batteriebank, bestehend aus drei 100Ah Batterien verwende. Die Aufladung erfolgt unter Zuhilfenahme eines 35A Alternators, drei parallel geschalteter 55W Solarpanels und eines off the self mit 220V Landpower betriebenen 15A Ladegerätes.
Zur Erstellung der genannten Ladeelektronik wurde folgende Spezifikation zu Grunde gelegt:
Die Ladeelektronik muss sowohl bei beleuchteten Panels als auch bei laufendem Motor aktiv sein. Sie darf jedoch bei stehenden Motor und unbeleuchteten Panels die Bordbatterien nicht belasten.
Bei Vorhandensein eines Landanschlusses wird über ein 15A Ladegerät nur die Domestik Batteriebank geladen. Der Ladevorgang der Batteriebank muss über das 15A Ladegerät gesteuert werden.
Beim Ladevorgang über den Alternator oder die Solarpanels hat das Aufladen der Starter Batterie absoluten Vorrang.
Fällt die Spannung der Starterbatterie unter 12,75V, muss sie mit maximal verfügbarem Strom geladen werden, bis sie eine Spannung von 13,5V erreicht hat. Anschließend muss der maximal verfügbare Strom zu der Domestik Batteriebank umgeleitet werden.
Beginnt die Aufladung der Domestik Batteriebank, nachdem die Starter Batterie 13,5V erreicht hat, oder weil die Spannung der Domestik Batteriebank unter 12,75V gefallen ist, muss diese Batteriebank mit maximal verfügbarem Strom geladen werden, bis sie eine Spannung von 14,22V erreicht hat.
Hat die Domestik Batteriebank eine Spannung von 14,22V erreicht, und solange die Spannungen beider Batteriegruppen über 12,75V liegen, müssen beide Batteriegruppen, durch zwei Leistungstrenndioden entkoppelt, über einen Linearspannungsregler weiter geladen und auf 13,8V gehalten werden.
Eine analoge Lösung wird im PDF Dokument „Neraida Ladeelektronik“ beschrieben. Eine digital ausgeführte Lösung, welche unter Verwendung des Microcontrollers PIC16F876A der Firma Microchip ausgeführt ist, wird im PDF Dokument „Neraida PICLadeelektronik“ beschrieben.
Eine Lösung, welche nur aus dem VSR Anteil besteht, welcher in digitale Form ausgeführt wird, ist im PDF Dokument „Digital VSR“„Digital VSR“ beschrieben. Der Vorteil der digitalen VSR Lösung liegt darin, dass sie bei ausreichend hoher Ladespannung beide Batteriebänke bis auf 14,25V aufladen kann, die Aufladung jedoch auch selbsttätig bei 13,5V beschränken kann, in Fällen, bei denen eine Ladespannung über 13,8V nicht zur Verfügung gestellt wird. Für die digitale Ausführung des VSR wird der Microcontroller PIC16F627A der Firma Microchip verwendet.
PDF Dokument: "Neraida Ladeelektronik"
PDF Dokument: "Neraida PIC Ladeelektronik"
Bei der oben bereits beschriebenen Lösung zur Optimierung des Ladevorgangs der Batterien wird davon ausgegangen, dass beim Vorhandensein eines Landanschlusses nur die Domestic Batteriebank vom Ladegerät versorgt wird. Dies hängt damit zusammen, dass handelsübliche und preiswerte mit Landanschluss betriebene nach dem IUoU - Prinzip arbeitende Ladegeräte über keinen separaten, unabhängigen Ausgang für eine zweite Batteriebank, z.B. die Starter Batterie, verfügen.
Die Einschränkung der oben skizzierten Lösung wird durch das Hinzufügen der im nachfolgenden PDF Dokument "Shore power distribution controller" beschriebenen Schaltung eliminiert. Die dort vorgeschlagene Elektronik sorgt bei Vorhandensein eines Landanschlusses (220Veff) unter Verwendung eines Ladegerätes mit IUoU- Kennlinie dafür, dass sowohl die Starter Batterie als auch die Domestic Batteriebank geladen werden, wobei die Starter Batterie Priorität genießt.
Dabei ist zu beachten, dass die IUoU- Fähigkeit des Ladegerätes nur von der Domestic Batteriebank voll ausgenutzt wird. Die Starter Batterie dagegen wird beim Einschalten des Landanschlusses mit maximalem Strom gespeist, bis sie 13,8 V erreicht hat. Danach wird das Ladegerät auf die Domestic Batterien aufgeschaltet, welche nun entsprechend der IUoU- Eigenschaften des Ladegerätes aufgeladen werden. Die Ladung der Domestic Batterien wird allerdings sofort unterbrochen, wenn die Spannung der Starter Batterie unter 12,75 V fällt.
Die hierzu notwendige Elektronik, bestehend aus billigen kommerzielle Komponenten, ist recht einfach aufzubauen und kann in einem käuflichen Kunststoffgehäuse von 130x130x75mm Abmessungen eingebaut werden.
PDF Dokument: "Shore power distribution controller"
Ankerkettenzählwerk
Bei der Durchführung von Ankermanövern ist es für den Steuermann wünschenswert, eine Information über die aktuell gesetzte Kettenlänge zu haben. In der Regel wird diese Information über denjenigen, welcher die Winsch bedient mit Hilfen von Kettenmarkierungen ermittelt, und nach „hinten“ über Zuruf übertragen.
Wenn aber bei einer stark reduzierten Mannschaft niemand zur Bedienung der Winsch abgestellt werden kann, dann ist zusätzlich zu einer Fernsteuerung der Ankerwinsch vom Cockpit aus eine Anzeige der Aktuell gesetzten Ankerkettenlänge ebenfalls im Cockpit erforderlich. Eine solche Einrichtung muss folgenden Forderungen genügen:
Die Umdrehungen der Kettennuss sollen mit Hilfe eines fest am Körper der Winsch montierten Ultraminiatur Reedsensor ermittelte werden.
Der Reedsensor soll mit Hilfe eines oder mehreren am Umfang der Winschtrommel angebrachten Miniatur Magneten erregt werden können.
Die Messung der Länge der über die Kettennuss ablaufenden Kette soll in „Meter“ ermittelt werden
Die gemessene Länge soll dreistellig bis zu eine maximalen Länge von 199 m angezeigt werden können.
Die verwendeten Zähler sollen in der Lage sein sowohl vorwärts als auch rückwärts zu zählen.
Die Einrichtung muss über einen Taster, jede Zeit auf „Null“ zurückgestellt werden können.
Die Elektronik des Zählwerks darf nicht aus den Batterien versorgt werden, welche auch für den Betrieb der Ankerwinsch verwendet werden.
Zur Realisierung wurde ein Ultraminiatur Reedsensor PRX+1500, zwei Miniatur Magnete PIC-M02304 und billige kommerzielle elektronische Komponente verendet. Die Elektronik, inklusive drei 7-Seqment LED Anzeigen, wurde in einem käuflichen Kunststoffgehäuse von 130x130x100mm Abmessungen mit durchsichtigen Deckel eingebaut.
Gezeigt werden nachfolgend zwei Realisierungsmöglichkeiten: Eine unter der Überschrift „Ankerkettenzählwerk“ wird mit Hilfe von passiven hintereinander geschalteten Zählern realisiert, während die zweite Realisierung unter der Überschrift „Ankerkettenzählwerk - PIC“, den Microcontroller PIC16F627A der Firma Microchip verwendet.
PDF Dokument: "Ankerkettenzaehlwerk"
PDF Dokument: "Ankerkettenzaehlwerk - PIC"