Tauchboot

"Ziel ist es, ein möglichst kleines Tauchboot zu bauen, das ohne Fernsteuerung auf den Grund eines 40 cm tiefen Bassins (z.B. Badewanne) taucht, und dort einen Zeitraum von 1-3 min verweilt.

Nach diesem Zeitraum soll das Tauchboot selbstständig wieder auftauchen.

Dabei sind folgende Regeln einzuhalten:

Bewertungskriterien sind:

Unsere ersten Ideen:

Das waren also die Vorgaben an die wir uns halten mußten. Dabei war natürlich die erste Überlegung welchen Tauchmechanismus wir denn jetzt wählen sollten. Damit die Zeit ziemlich genau eingestellt werden kann war die Wahl bald auf eine Digitaluhr gefallen, wie z.B. ein Küchentimer. Die passende Uhr hat sich dann auch schnell gefunden, von einem Tischkalender der weggeschmissen worden ist. Ursprünglich gab sie über einen kleinen Piezo-Lautsprecher einen Piepston ab sobald die eingestellte Zeit erreicht war, aber dadurch steigt ja logischerweise noch kein Tauchboot auf! Also mußte an Stelle des Lautsprechers irgendetwas anderes angeschlossen werden, Aber was? Unsere erste Überlegung war, daß durch eine Spule oder einen Motor ein Gewicht gelöst wird und das Boot aufsteigt, weil es dann leicht genug ist. Dieses Prinzip war aber nicht so einfach umzusetzen, denn eine Spule benötigte zu viel Strom, so das die Batterien zu groß würden, und bei einem Motor war die Frage wie man das ganze dann abdichten konnte, weil ja eine mechanische Verbindung nach außen bestehen mußte. Wegen diesen Problemen mußte irgendeine andere Idee her, als mir plötzlich einfiel es einfach so zu machen wie bei "richtigen" U-Booten. Dort wird mit Druckluft aus Kammern Wasser herausgedrückt bis der Auftrieb größer ist als das Gewicht. Genau so wollten wir es dann auch bauen, es ist uns dann aber aufgefallen, daß es wesentlich einfacher und kleiner zu bauen ist wenn nicht Wasser aus dem Boot, sondern Luft in einen Ballon außen geleitet wird. Bei dieser Methode wäre wohl das größte der Druckbehälter geworden, doch auch der läßt sich einfacher vermeiden als man denkt: Da die ganze Hülle sowieso absolut dicht sein mußte konnten wir diese direkt als Druckbehälter benutzen! Dadurch konnten wir uns einen zusätzlichen Behälter ganz ersparen denn jetzt dient jeder "sinnlose Raum" Zwischen Uhr, Motor und Elektronik zum Druck speichern! Noch ein Vorteil ist, daß bei einem kleinen Leck kein Wasser nach innen gelangt.

Der Tauchmechanismus:

Unsere Lösung auf die Aufgabe sieht also so aus:
Vor dem Start wird der Druck im Tauchboot erhöht, indem man durch ein Fahrradventil hineinpustet. Eine Digitaluhr hat statt dem Lautsprecher eine Verstärkerelektronik angeschlossen, die ein Relais schalten kann. Das Relais schaltet dann einen Getriebemotor ein, der ein Ventil öffnet, so daß die Luft nach außen in einen Luftballon strömen kann. Jetzt ist der Auftrieb hoch genug, um das Ganze an die Oberfläche zu heben

Diese Beschreibung des Tauchmechanismus hört sich erst mal kurz und klar an, aber wie viel Arbeit in den Details steckt sieht man nicht. Die Digitaluhr erschien uns trotz der geringen Größe immer noch zu groß, also mußten alle Teile die nur Ballast wären weg gesägt werden. Da die Spannung von einer gemeinsamen Batterie kommen sollte war als erstes der Batteriehalter dran. Dann wurden noch die Tasten, die Beleuchtung und alle überflüssigen Gehäuseteile entfernt, und schließlich die Platine soweit gekürzt, daß wirklich nur noch das nötigste übrig war. Zum Einstellen, zur Stromversorgung und da wo der Piepser war wurden dann Kabel angelötet! Das Signal der Uhr war natürlich viel zu schwach um damit ein Relais oder sogar den Motor zu steuern, es reichte gerade um auf meinem Oszilloskop sichtbar zu sein! Aus diesem Grund mußte ein Verstärker her, der aber trotzdem sehr klein sein mußte. Das war die schwierigste Aufgabe und erst nach vielen Tagen war eine brauchbare Schaltung fertig. (Genaue Beschreibung unten) Der Motor und das Ventil haben eigentlich keine größeren Schwierigkeiten gemacht. Einen Grillmotor hatte ich noch und den konnten wir gut gebrauchen, weil er nur 1,5 Volt braucht und durch das eingebaute Getriebe zwar langsam dreht, dafür aber mit einer Großen Kraft, so daß ein Ventil aus der Gartenbewässerung direkt darauf montiert werden konnte. Auch an diesen Teilen wurde wieder alles unnötige entfernt und so blieb von dem Gehäuse des Getriebemotors nicht viel übrig, außer dem jetzt sehr kompakten Antrieb. Ein großes Problem hat allerdings die äußere Hülle des Tauchbootes gemacht! Es handelt sich um das Oberteil einer 0,5 Liter PET-Flasche. Dieser Einfall kam mir als ich für die Kettenreaktion eine Flasche abgeschnitten hatte und dieses Teil davon übrig war. Als ich dann den Motor in der Hand hatte ist mir aufgefallen, daß er genau in diese Teil paßte. Das Problem war jetzt die große Öffnung abzudichten, da wo früher eben der Rest der Flasche war. Außerdem mußte der Deckel durchsichtig sein, um die Uhr überhaupt noch sehen zu können und mußte dem erhöhten Innendruck standhalten. Zwei Versuche mit einer Plastikscheibe, die mit Silikon bzw. Epoxidkleber befestigt war scheiterten und bis zum Finale waren es da noch wenige Tage! Zu diesem Zeitpunkt dachte ich das ganze Projekt wäre gescheitert und war kurz vor dem Aufgeben, als der letzte Versuch - gegen meine Erwartung – funktionierte: Als Deckel habe ich einen Flaschenboden von einer gleich großen PET-Flasche verwendet und ihn mit Epoxid eingeklebt. Für das Kleben gab es nur einen Versuch! Sobald die zwei Komponenten gemischt sind bleiben nur 5 Minuten um es zu verarbeiten; wenn später kleine Risse oder undichte Stellen auffallen bekommt man sie nicht mehr zu, weil man von innen nicht mehr an die Klebestelle kommt. Das Epoxid Klebt so fest, daß man es auch nicht mehr vom Boot entfernen kann, um es noch mal ganz neu zu versuchen. Zum Glück hat dieser Versuch allerdings geklappt und das Projekt war gerettet! Montags morgens ist es schließlich fertig geworden und Dienstags war das Finale.

Dort war unsere Gruppe ziemlich früh mit vorführen dran und es ist bei uns etwas Hektik ausgebrochen. Trotzdem ist es irgendwie gelungen die Uhr richtig einzustellen und das Tauchboot sank ab. Die Zeit bis zum Auftauchen kam uns ewig vor aber wie sich herausstellte waren es 2 Minuten und ein Paar Sekunden, Alles hat perfekt funktioniert, obwohl wir es nur einmal getestet hatten!

Die Elektronik:

Hier ist erst mal der Schaltplan der Verstärkerschaltung, wie sie nach allen Experimenten fertig aussieht:

Eigentlich wollten wir nur eine gemeinsame Batterie verwenden, aber es stellte sich heraus , daß der Verstärker eine höhere Spannung benötigt, als die 1,5 Volt für Uhr und Motor. Also ist eine zweite Batterie vorhanden, die 12 Volt liefert, aber trotzdem nicht größer ist als die andere (solche Batterien werden oft in Fernbedienungen verwendet). Da diese höhere Spannung aber unbedingt von Digitaluhr ferngehalten werden muß, ist der Signalausgang mit einem Miniaturtransformator(TR1, aus einem alten Funkgerät) verbunden, der das Signal nicht nennenswert verändert, aber die zwei Schaltkreise Galvanisch trennt. Schließt man jetzt das Oszilloskop an sieht man kurze Spannungsimpulse, die abwechselnd positiv und negativ sind. "Brauchbar" sind hier aber nur die positiven Impulse, so das zum Gleichrichten einen Diode(D1) vorgeschaltet ist. Lieder wird dadurch das ohnehin schon schwache Signal noch etwas abgeschwächt. Es läßt sich noch nicht mit einer einfachen Transistorschaltung verstärken. Deshalb folgt als nächstes ein Operationsverstärker(OPV1), der hier aber nicht als Verstärker dient, sondern die einzelnen Stufen aneinander anpaßt (der OPV dient hier als so genannter Impedanzwandlker). Danach kann die Spannung durch zwei Transistoren(T1 und T2 in Darlingtonschaltung) verstärkt werden. jetzt ist das Signal zwar wesentlich stärker als vorher, aber der Motor würde sich noch nicht drehen, da es immer noch einzelne, kurze Impulse sind. Deshalb wird über einen Optokoppler(OPT1) ein Flip-Flop(R5-R11, T3, T4, C1-C3) angesteuert. Wie ich mittlerweile weiß hätte ich den Optokoppler auch weglassen können, doch das habe ich erst später herausgefunden. Auf die Funktion des Flip-Flop werde ich jetzt nicht genauer eingehen, weil es dazu in Internet genug Informationen gibt. Der Sinn hier ist, daß am Ausgang eine Dauerspannung anliegt, sobald am Eingang der erste kurze Impuls anliegt. Dadurch wird, über einen weiteren Transistor(T5), das Relais(REL1) geschaltet und schließt den Stromkreis, in dem der Motor ist.

Zusätzlich sind noch einige Besonderheiten eingebaut, von denen auf den Schaltplan nicht zu sehen ist. Dazu zählt ein Schalter, der den Strom unterbricht, sobald das Ventil seinen Endpunkt erreicht hat. Das ist nötig, weil der Motor sonst immer weiter drehen würde, bis entweder das Ventil "herausgerissen" würde oder der Motor stecken bleibt und dadurch zerstört würde. Zum einstellen der Uhr waren früher zwei Tasten vorgesehen. Damit keine Verbindung nach außen nötig war wurden sie ersetzt durch so genannte Reed-Kontakte. Sobald man einen Magneten annähert schaltet der Kontakt im inneren des Bootes. Die beiden Batterien sind direkt an Kabel angelötet und sind durch den Schraubverschluß leicht zu erreichen, so daß sie einfach ausgetauscht werden können. Die Kabel, die nach außen führen, dienen dazu, um die Spannung in den Batterien zu überprüfen und die Elektronik kurz vor dem Start einzuschalten.

Viele weitere Bilder gibt es hier

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