Die Verwendung von äquatorialen Montierungen erfordert den Einsatz von Gegengewichten, um eine ausgewogene Gewichtsverteilung unabhängig von der Rotation der Montierung und der Größe der Nutzlast zu erreichen. Die Gegengewichte sind in der Regel zylindrisch und werden auf einer Stange entlang der RA-Achse angebracht. Ihr Gewicht schwankt zwischen 1 kg und 5 kg, manchmal auch mehr.

Außerdem wird ein Akku benötigt, um die Ausrüstung im Feld zu betreiben. Selbst kleine tragbare Geräte verbrauchen 10-13 W bei 12 V, während sie verfolgen, führen und Bilder machen. Außerdem verbrauchen die Tauwärmer 6-18 W. 5 Stunden im Einsatz erfordern etwa 150Wh Energie. Selbst mit moderner Batterietechnologie würden die Zellen allein rund 1 kg wiegen.

Wenn man ein tragbares Gerät haben möchte, das man in einer Tasche transportieren kann, stellt man sich schnell die Frage, ob es sinnvoll ist, zwei “passive” Gewichte mitzuführen: ein Gegengewicht und eine Batterie. Können sie kombiniert werden?

Diese Idee ist nicht neu. iOptron bot einst eine Batterie an, die auf der Gegengewichtsstange platziert werden konnte, PowerWeight (TM) genannt. Sein Gewicht betrug etwa 3,2 kg (7 lb). Er verwendete Blei-Säure-Batteriezellen und hatte 98Wh bei 12V. Das PowerWeight ist nicht mehr auf dem Markt, und einige Leute sagen, es sei nicht zuverlässig. Heutzutage sind 3,2 kg Gegengewicht zu viel für tragbare Montierungen wie die Sky-Watcher AZ GTI, und 98Wh reichen selbst für kleine Setups, die auf solchen Montierungen basieren, nicht aus. Leider gibt es noch keine vergleichbaren Produkte auf dem Markt. Die meisten Menschen verwenden verschiedene Powerbanks und große tragbare Stromstationen. Dies führt zu einem weiteren unangenehmen Umstand. Eine Menge Stromkabel, die von der Halterung zur Batterie führen. Die Kabel neigen dazu, sich um alle Teile zu wickeln und in der Kälte steif zu werden. Das bringt das Getriebe in Gefahr und verzerrt die Führung. Wenn sich die Batterie auf der Gegengewichtsstange befindet, wären die Kabel viel kürzer und würden sich nur um eine Achse drehen, wobei sie einen viel kleineren Winkel einnehmen.

Also, lassen Sie uns diese Idee wieder aufgreifen und eine neue Implementierung auf der Grundlage von modernem Design und Komponenten schaffen.

Funktionen auf der Wunschliste

Kopplung mit der Akkukapazität auf zivilen Flügen

Keine Frage, eine Batterie hat immer zu wenig Leistung, aber… Nachdem es vor einigen Jahren zu Problemen mit überhitzten Akkus in Samsung-Smartphones und anderen tragbaren Geräten gekommen ist, gibt es Vorschriften, die die Energie der Akkus, die auf einen Linienflug mitgenommen werden können, begrenzen. Obwohl alle Batterien, die größer als 2,7Wh sind, im Handgepäck mitgeführt werden müssen, ist die Gesamtkapazität der Batterien begrenzt. Sie können Batterien mit nicht mehr als 100Wh ohne zusätzlichen Verwaltungsaufwand mitnehmen. Akkus mit mehr als 100Wh, aber nicht mehr als 160Wh müssen von der Fluggesellschaft genehmigt werden. Es dürfen nicht mehr als zwei solcher Batterien an Bord genommen werden. Alle Batterien sollten für den eigenen Gebrauch bestimmt sein. Letztendlich kommt es auf die Menge an Lithium an, die Sie an Bord nehmen.

Die oben genannte Verordnung bezieht sich auf große Ersatzbatterien und Geräte mit solchen Batterien. Es ist nicht festgelegt, ob mehrere kleinere Batterien in Ordnung sind, aber eine angemessene Anzahl sollte in Ordnung sein, wenn ihr Zweck erklärt werden kann. Es ist auch nicht dokumentiert, wie größere Batterien zugelassen werden können.

Daher ist es ratsam, bei der Anzahl der verwendeten Akkuzellen flexibel zu sein. Es sollte möglich sein, sie getrennt zu transportieren. Wir wollen immer noch eine Energiereserve von 200-250Wh erreichen, wenn sie nicht mit dem Flugzeug transportiert werden. 200 W würden 40 W für 5 Stunden liefern, was in den meisten Fällen ausreichend ist.

Verfügbarkeit von Batteriezellen

Wir wollen Batteriezellen verwenden, die überall erhältlich sind. Diese Tatsache wirkt sich auch auf den Umfang der Batterien aus. Lithium-Ionen-Polymer-Akkuzellen dominieren derzeit den Markt. Fast alle Powerbanks und viele andere Geräte verwenden die 18650er-Zellen (siehe Übersicht in diesem Artikel ), auch wenn es nicht so offensichtlich ist. Es gibt eine große Anzahl von Marken und Modellen. 18650er-Zellen sind fast überall erhältlich.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien, auch bekannt als “LiFePo4” oder “LFP”, scheinen ein neuer aufstrebender Stern zu sein, aber sie sind nicht weithin verfügbar und haben keine allgemein bekannten Standardgrößen. Die meisten LiFePo4-Zellen werden häufig in Elektrorollern, Powerwalls und Solarenergiespeichern verwendet. Aus diesem Grund werden die Zellen mit einer großen Kapazität, aber auch in einer großen Größe angeboten. Sie werden in Viererpacks geschraubt oder geschweißt. Das bedeutet, dass es schwierig sein wird, sie getrennt zu behandeln. Ihr ungewöhnlicher Formfaktor wird bei Sicherheitskontrollen auf Flughäfen große Aufmerksamkeit erregen.

Der Hauptvorteil der Verwendung von LiFePo4-Zellen mit hoher Kapazität besteht darin, dass weniger Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind, da die Zellen nicht parallel geschaltet werden müssen, um eine höhere Kapazität zu erreichen. In diesem Fall kann das BMS-Modul den gefährlichen Zustand jeder Zelle erkennen. Kleinere 18650-Zellen müssen parallel geschaltet werden, um eine höhere Gesamtkapazität zu erreichen. In diesem Fall MUSS entweder eine Schutzschaltung oder ein “Sicherungsdraht” verwendet werden, um sicherzustellen, dass eine Zelle abgeschaltet wird, wenn sie Probleme hat.

Die meisten größeren LiFePo4-Zellen haben die Form eines Ziegels mit unterschiedlichen Seitenabmessungen. Es scheint, dass es keine einheitliche (nicht von einer Norm zu sprechende) Größe für diese Batterien gibt. Viele 30Ah-Zellen werden bei AliExpress angeboten. Das liegt wahrscheinlich daran, dass es in Asien günstig ist, die alten Blei-Säure-Batterien in Elektrorollern auf die neue Batterietechnologie umzurüsten 😉

Liitokala, Small Den, und VariCore, Mr.Li Battery sind beliebte Verkäufer auf https://aliexpress.com.

Dies sind die häufigsten und interessantesten Formfaktoren von LiFePO-Zellen für unseren Anwendungsfall:

• 32700 – zylindrische Zelle, 32mm x 70mm, 6500mAh, das Gewicht beträgt etwa 145g
• 33140 – zylindrische Zelle, 33mm x 140mm, 15Ah, das Gewicht beträgt ca. 270g
• 38120 – zylindrische Zelle, 38mm x 120mm, 10Ah, das Gewicht beträgt ca. 340g
• 24Ah/25Ah – Zellen in Ziegelsteinform, 132mm x 72mm x 28mm, 24Ah, ca. 530g
• 30Ah oder 50Ah – Zellen in Ziegelsteinform mit größeren Abmessungen

Für den Moment nehmen wir die 18650er Zellen.

Aufladen

Für das Aufladen sollte eine Spannung von 12 V angestrebt werden, die zusätzlich zu 5 V als De-Faktor-Standard gilt. 12 V ermöglicht das Aufladen an anderen Steckdosen und im Auto. Das Laden mit 12 V ist bei den meisten Gerätebatterien mit 12 V-Ausgang nicht möglich, da dazu eine Konstantstromversorgung mit einem Aufwärtswandler erforderlich ist. Das Gerät sollte über ein integriertes Netzteil verfügen, so dass es ausreicht, ein 12-Volt-Netzkabel mit ausreichender Leistung anzuschließen.

Verbrauchte Leistung

Unser Ziel ist es, etwa 40 W (3,3 A bei 12 V) für etwa 5 Stunden zu liefern. Dies sollte für eine größere Anlage ausreichen, die ohne Unterbrechung 4,5 Stunden lang im Dunkeln läuft.

Zellen-Layout

Wir müssen entscheiden, wie viele Zellen in einer Gruppe parallel geschaltet werden sollen und wie viele solcher Gruppen in Reihe geschaltet werden müssen.

Die nominale Ausgangsspannung einer 18650-Zelle beträgt 3,70 V. Wenn wir drei Gruppen verbinden, erhalten wir 11,10 V und wenn wir vier Gruppen verbinden, erhalten wir 14,80 V. Die Spannung bei 0% Kapazität liegt bei 3,00V und bei 100% bei 4,2V. Bei drei Gruppen haben wir also 9,00-12,60 V und bei vier – 12,00-16,8 V. In beiden Fällen benötigen wir einen Aufwärts- oder Abwärtsspannungswandler, um einen konstanten 12-V-Ausgang bereitzustellen.

Die Anzahl der Zellen in einer Gruppe bestimmt die Kapazität pro Gruppe. Da wir die Grenzwerte für Lithiumbatterien in Flugzeugen nicht überschreiten wollen, ist es sinnvoll, drei Gruppen zu verwenden und einen Aufwärtswandler einzusetzen, da dies insgesamt weniger Zellen pro 1 W Leistung bei 12 V erfordert.

Batteriemanagementsystem vs. Schutzplatine

Für das Laden von LiFePo4- oder LiPo-Akkus ist eine spezielle Schaltung erforderlich. Für eine Ausgangsleistung von mehr als 5 V werden zwei oder mehr Zellen in Reihe geschaltet. Das Aufladen mehrerer Zellen in Reihe erfordert eine Kontrolle des Ladezustands jeder einzelnen Zelle. Im Laufe der letzten Jahre wurde es zu einem echten Forschungsthema, wie genau dies geschieht und was die besten Ansätze dafür sind.

Es gibt eine große Auswahl an vorgefertigten Modulen für diesen Zweck. Bessere Geräte verfügen über ein Batteriemanagementsystem, während einfachere Geräte nur einen Basisschutz bieten. Der Preis- und Größenunterschied zwischen diesen Kategorien ist in unserem Anwendungsfall fast vernachlässigbar. Heute ist es durchaus sinnvoll, ein BMS-Modul einzusetzen. Diese enthalten neben mehreren MOSFETs einen oder zwei Mikrocontroller auf der Platine.

Überwachung

Eine grundlegende Überwachung ist erforderlich. Wir wollen wissen, wie viel Energie noch übrig ist. Wir möchten diesen Wert nicht auf einem LED-Balken als Watt-Zahl sehen, sondern idealerweise in Stunden und Minuten. Ein Gerät, das die Leistung misst, wird als elektronisches Wattmeter bezeichnet, aber wir wollen eigentlich ein Coulombmeter verwenden – ein Gerät zur Messung der elektrischen Ladung. In den meisten Fällen sehen diese Geräte gleich aus und werden auf die gleiche Weise angeschlossen, aber Coulombmeter-Geräte zeigen zusätzliche Informationen an, wie z. B. die verbleibende Kapazität und manchmal die verbleibende Laufzeit.

Anschlüsse und Ausgangsspannungen

12 V ist eine Standardspannung in der Astrofotografie. Manchmal werden 5 V für zusätzliche Geräte verwendet. Es gibt keinen einheitlichen Stecker für 12 V bei Astrofotografie-Montierungen. Koaxiale 5,5 mm × 2,1 mm Stromanschlüsse scheinen jedoch am beliebtesten zu sein. Tauheizungen verwenden entweder RCA- oder USB-Anschlüsse, die von einem PWM-Controller gesteuert werden, um die Heizleistung zu variieren.

Es ist eine gute Idee, die Montierung über eine separate Leitung mit Strom zu versorgen, da bei einem Stromausfall alle Einstellungen für Zeit, Standort und Sternausrichtung (falls noch verwendet) neu initialisiert werden müssen. Wir benötigen also zwei 12V-Anschlüsse. Häufig werden zwei Tauheizungen benötigt, eine für das Haupt- und eine für das Leitfernrohr.

Symmetrie des Gehäuses

Das Gehäuse eines angetriebenen Gegengewichts sollte auf jeden Fall eine gewisse Symmetrie um die Mittelachse aufweisen.

Das ist kein einfacher Aspekt, denn wir wollen eine vernünftige Größe haben und einiges an Elektronik im Inneren des Gehäuses unterbringen. In mehreren Platzierungsexperimenten Fusion 360 hat sich gezeigt, dass große zylindrische Zellen die schlechteste Wahl für ein Gehäuse mit diesen Kriterien sind. Zellen in Ziegelsteinform sind besser, da ihre Form gut auf die elektronischen Module abgestimmt werden kann. 18650-Zellen können auf die flexibelste Art und Weise platziert werden, aber das erfordert viel Detailarbeit bei der 3D-Konstruktion.

Durchmesser der Gegengewichtsstange

Wir wollen das neue Gegengewicht in verschiedenen Gegengewichtsstangen mit einer Universalhalterung verwenden können. Der Durchmesser der Gegengewichtsstange ist ein weiteres Element der astronomischen Ausrüstung, das sich jeder Norm entzieht. Er reicht von 12 mm bis 38 mm.

Resultierendes und zu erwartendes Gewicht

Ich verwende derzeit ein 2 kg schweres Gegengewicht mit meinem Sky-Watcher AZ GTI, der mit etwa 3,5 kg Ausrüstung beladen ist. Es muss weit weg auf der Stange platziert werden, was nicht so gut ist. Das Gewicht einer 18650er-Zelle beträgt etwa 46 g. Wenn wir 18 Zellen verwenden, die 233,10Wh Energie liefern, beträgt das Gesamtgewicht der Zellen 830g. Die Elektronik und das Gehäuse wiegen nicht mehr als 200-300 g. Wenn wir also näher an 2 kg herankommen wollen, müssen wir möglicherweise zusätzliche Gewichte anbringen. Runde Gewichte mit zentrierten Löchern in verschiedenen Größen sind nichts, was man von der Stange bekommt…

Das implementierte Design

Batteriezellen und Konfiguration

Es werden drei Gruppen mit je sechs 18650er Zellen verwendet. Es handelt sich um eine so genannte 3S6P-Akkupack-Konfiguration – 3 serielle, 6 parallele. Die verwendeten Zellen sind Samsung INR 18650-35E. In dieser Konfiguration bietet das gesamte Akkupaket eine Kapazität von 21 mAh und eine Energie von 233,1 Wh bei 12 V.

Anders als bei manchen Projekten im Internet sind die Zellen der Parallelgruppen mit einem Sicherungsdraht gesichert. Ein 0,2 mm dicker Kupferdraht kann mit bis zu 5 A belastet werden. Dies würde zu einem Gesamtstrom von 30 A führen, der weit über den Schutzgrenzen der verwendeten Konverter liegt. Aber 5A ist weniger als der maximale Strom pro Zelle und damit weit unter dem Notstrom.

Gehäuse

Der Grundgedanke der Gehäusekonstruktion bestand darin, dass ein zentraler Zylinder die Gegengewichtsstange mit unterschiedlichen Durchmessern umschließt. Eine Gegengewichtsstange wird durch zwei Adapter im Inneren des Zylinders zentriert. Die Adapter werden in das Gehäuse geschraubt und können an verschiedene Durchmesser der Gegengewichtsstange angepasst werden.

Baumgruppen der 18650er-Zellen sind in Baumsegmenten des sechseckigen Gehäuses untergebracht:

Drei weitere Segmente und das obere Fach bieten Platz für die Elektronik. Der untere Gehäusedeckel enthält die Batteriezellen.

Nach der ersten Überarbeitung wurden drei Halterungen für Eisenplatten als Zusatzgewichte hinzugefügt, da das Gesamtgewicht nicht groß genug für ein Gegengewicht war.

Elektronik

Der gesamte Schaltplan basiert auf mehreren nicht vorrätigen Modulen. Das angetriebene Gegengewicht verfügt über ein integriertes Lademodul:

• 8A, 5-30V auf 1.25-30V einstellbarer Aufwärts-Abwärts-Wandler, ähnlich https://www.ebay.de/itm/293493632801

Dieses Modul ermöglicht die Verwendung eines beliebigen externen Netzteils, das ausreichend Strom zum Laden liefert. Der Ladestrom ist derzeit auf 2,5 A eingestellt.

Dies ermöglicht das Aufladen aller Zellen in ca. 8h ohne eine zu große Hitzeentwicklung im Gehäuse.

Der Ladevorgang wird durch das BMS-Modul gesteuert:

• 3S 10A BMS, ähnlich https://www.aliexpress.com/item/1005001327267228.html

Der 12-V-Kanal wird durch einen Aufwärtsspannungswandler stabilisiert:

• 5A, 6-35V auf 1-35V einstellbarer Auf- und Abwärtswandler, ähnlich https://www.aliexpress.com/item/32857822288.html

Der 5-V-Kanal an USB-Steckern wird durch einen Abwärtsspannungswandler stabilisiert, der direkt mit der Batterie verbunden ist:

• XL4015 4-38V auf 1,25-36V, 5A einstellbarer Auf- und Abwärtswandler, ähnlich https://www.ebay.de/itm/353352640283

Die Tauwärmer können entweder an 5V über USB-Stecker oder an 12V angeschlossen werden. Die Heizung wird mit PWM-Reglern gesteuert:

• Mini DC-DC 4,5V-35V 5A 90W PWM DC-Motordrehzahlregler, ähnlich https://www.ebay.de/itm/313583203337

Die verfügbare Kapazität, der Stromverbrauch und die verbleibende Zeit können auf dem Display des Coulombmeter-Moduls kontrolliert werden:

• TK15 8-100V 50A Coulombmeter. Sie ist weithin verfügbar, zum Beispiel hier: https://www.aliexpress.com/item/32953547248.html

TK15 ist fast einzigartig, da es die verbleibende Zeit anzeigt, die aus der verbleibenden Kapazität und dem durchschnittlichen Stromverbrauch berechnet wird. Dazu waren einige Einrichtungsschritte erforderlich, die im Handbuch dokumentiert sind.

Montage und das erste Mal am

Es stellte sich heraus, dass die Montage des Blocks alles andere als schnell ist. Die Absicherung der Zellen in Verbindung mit dem Einbau von Federkontaktblechen(https://www.ebay.de/itm/154001156329) erforderte einen hohen Zeitaufwand.

Im Inneren des Gehäuses ist nicht viel Platz für ein bequemes Arbeiten vorhanden. Einige Drähte haben sich von den Lötstellen gelöst, da die Qualität des auf den Modulen verwendeten Lötzinns unterschiedlich ist.

Folgende weitere Kleinteile wurden verwendet:

• USB-Stecker: https://www.ebay.de/itm/282222588586
• DC 5,5/2,1mm-Stecker: https://www.ebay.de/itm/184232484546

Es war etwas verwirrend, festzustellen, dass sich das BMS nach dem ersten Einschalten nicht einschaltet. Es braucht entweder eine Ladeleistung oder eine Last, um zu “aktivieren”. Offensichtlich ist das bei den meisten BMS der Fall, aber sie machen es schwer, den Unterschied zwischen einem Problem in der Verkabelung und einer fehlenden Aktivierung zu erkennen.

Ideen für einige bessere Designs

Auf der Grundlage dieser Erfahrungen ist es sinnvoll, die folgenden Änderungen in ein künftiges Design aufzunehmen:

• Modulares Gehäuse mit komplett herausnehmbarer Elektronikplatine
• Idealerweise eine Elektronikplatine mit allen funktionsfähigen Bauteilen darauf
• Versuchen Sie, gemauerte Zellen zu verwenden, aber verwenden Sie dann Zellen mit einer viel größeren Kapazität
• Ersetzen Sie die Sicherungsdrähte durch eine Mini-Schutzplatte in Kombination mit modularen Zellenhaltern
• Vergrößern Sie die Kapazität, um eine Gesamtlaufzeit von etwa 8 Stunden bei 40 W zu erreichen.

Das Samsung INR18650-35E scheint von sehr guter Qualität zu sein und weist nur geringe Abweichungen auf. Ein weiterer guter Kandidat ist Panasonic NCR18650PF. Diese Zellen haben eine etwas geringere Kapazität, sind aber immer wieder zu einem niedrigeren Preis erhältlich.

Verfügbarkeit

Die STL-Dateien für den 3D-Druck sind im Photastro-Shop als kostenloser Download erhältlich.

Hier finden Sie einige zusätzliche Hinweise für den Zusammenbau und Informationen über andere benötigte mechanische Teile (TBD).