9V Extrem - första testresultat

[DaRePo]

Prototypen till den dubbelspåriga klätterspiralen är nu klar på golvnivå (förutom skyddsstaketet).

Syftet med klätterspiralen i den planerade 9V Extreme anläggningen är att få tågen upp från nivå 195 till nivå 215 (höghastighetsspåret) och sedan tillbaka till nivå 195 igen.

Kravspecifikationen på själva konstruktionen kan sammanfattas enligt följande:

* höjdskillnad: 20 cm
* fri höjd (mätt från rälstopp): minst 14 cm
* max. stigning: 8 procent
* kortast möjliga horisontell distans mellan anslutningspunkterna till nivå 195 resp. till nivå 215
* kortast möjliga inre spiral
* en solid och robust konstruktion som klarar långa och tunga tåg som den förlängda Horizon Express och Santa Fe tåget

Efter diverse experimenterande bestämde jag mig att bygga spiralerna med MDF 6mm, fastskruvade på en hyvlad trälist (21x43 mm).
Stolparna är gjorda av regelvirke 45x45 mm. Eftersom konstruktionen är gjord på golvnivå var jag tvungen att konstruera speciella bärkonstruktioner för att hantera de laterala spänningarna.
Det visade sig omöjligt att bygga en spiral med enbart böjda räls eftersom spänningarna i själva konstruktionen blev för starka. (Jag har visserligen sett klätterspiraler med multipla 360-graders cirklar, men dessa konstruktioner är i allmänhet alldeles för klena och skulle inte kunna användas för större och tyngre tåg enligt kravspecifikationen ovan).

Arbetet resulterade i en prototyp med följande tekniska detaljer:

* spårlängder (distansen mellan anslutningsnivåerna):
      inre spiral:  323 cm (9 raka, 1 halvrak, 16 böjda)
      yttre spiral: 466 cm (20 raka, 3 halvraka, 16 böjda)
* max. stigningar:  ca 8 procent (inre spiral) och ca 5 provent (yttre spiral)
* minsta frihöjd: ca 14 cm
* horisontell distans: 70 cm
* lateral lutning i spiralerna: försumbar
* strömförsörjning:
      1 Voltcraft EP 925, 1 hastighetsregulator för varje spår, 2x4 strömkontakter (testspårens totala längd: 14,9 m resp. 12,4 m)


Testerna visade att klättringsspiralerna fungerar perfekt - i alla fall vad gäller HE och Santa Fe med fyra motorer var! Det är faktiskt mäktigt att se dessa stora tåg slingra sig upp och ner spiralerna. Det krävs mera ström/högre hastighet jfr med de tidigare testerna, vilket var väntad med tanke på friktionen i kurvorna - särskilt vad gäller den inre spiralen. De fortsatta testerna kommer att omfatta tåg med två resp. en motor(er).

Vilken spektakulär vy det kommer att bli att se dessa spiraler hängande i taket 2 meter ovanför golvet!

[Selander]

Ojoj, när du är klar kan du bli hedersdoktor i ELRB - extremt lego räls byggande.
Ska bli kul att se detta live.

[DaRePo]

Återkommer till temat kylfläns (heatsink) till LM317T regulatorn som sitter i Legos 9V hastighetsregulatorer. Som pehter aka ibbe tidigare skrev är det viktigt att holla koll på temperaturen, något som dock visat sig vara betydligt svårare och krångligare än väntat. Trots en hel del egen research sitter jag fortfarande på många frågor som inte fått något bra svar.

Så här ligger det till:

Som tidigare nämnt använder jag en Voltcraft EP-925 som transformator till mina Lego 9V hastighetsregulatorer. Därmed kan jag utnyttja LM317T:s max kapacitet som ligger på 1,5 A, en strömstyrka som flera källor bekräftat. Detta möjliggör att jag kan köra fem 9V motorer samtidigt på max hastighet med samma regulator (5x300mA). Det går också att köra sex motorer med 80 procent effekt.
För att avleda regulatorns värme sitter den fastspänt på en kylfläns (heatsink).

Den avledda värmen (dissipating rate) beräknas enligt formeln (Vin - Vout)*IL = W där Vin är den ingående spänningen, Vout den utgående spänningen och IL är den aktuella strömförbrukningen, mätt i Ampere.

I mitt fall är Vin lika med Voltcrafts utgående spänning, dvs ca. 13V. Vout beror på vilken hastighet man väljer, dvs. mellan 2,8V och 9V.
Om man kör 5 motorer med max hastighet uppgår dissipating rate (värmeavledningseffekten) till (13 - 9)*1,5 = 6 Watt. Kör man samma antal motorer med lägsta fart så blir det (13 - 2,8)*1 = ca 10 Watt (med frågetecken avseende strömförbrukningen vid låg hastighet, något jag inte kan mäta exakt).

Dissipating rate i dessa två extrem-exempel ligger således mellan 6 - 10 Watt. För att få optimal värmeavledning måste man räkna ut vilken termisk resistens (Thermical Resistance) hos en kylfläns som krävs för att undvika överhettning och i värsta fall förstörning av LM317T:an.

Av vad jag läst och hört så här långt vill man helst undvika att regulatorns temperatur överstiger 60 grader Celsius.
De vanligaste kylflänsarna för LM317T ligger på 21 C/W vilket innebär att temperaturen stiger med 21 grader per Watt. Med en sådan kylfläns skulle temperaturen i mitt fall (teoretiskt) öka med över 200 grader, något som aldrig kommer att inträffa eftersom regulatorn hunnit brinna upp långt innan.

Den optimala termiska resistensen för kylflänsen i mitt fall ligger således på (60 - rumstemperatur)/10 = ca 4 grader per Watt.

Jag har faktiskt inte hittat en kylfläns med ett C/W värde så lågt som 4. Jag befarar dessutom att sådana kylflänsar - om de finns - är så pass stora att de inte ryms i en 9V regulator.

Så mycket om teori och formler avseende kylflänsar, värmeavledningseffekter och termisk resistens (fascinerande vad man behöver lära sig för att kunna köra Lego 9V tåg i mera avancerade former ...).

Själv har jag passat på att testa alla möjliga varianter, från en till sex motorer samtidigt, både med hög och låg fart. Allting har fungerat perfekt och - än så länge - har ingenting gått sönder men jag har ingen aning om med vilka säkerhetsmarginaler jag rör mig.

Skulle gärna ha vilja svar på följande frågor:

Är det någom som känner till/har mätt den termiska resistensen av kylflänsen som sitter i Lego 9V hastighetsregulatorer?

Är det någon som vet var jag kan få tag i en kylfläns med en termisk resistens på 4 C/W som ryms i Lego regulatorn?

Går det att koppla samman två kylflänsar som tillsammans skulle klara av en termisk resistens på 4 C/W?

Hur kan man på ett enkelt sätt kontinuerligt mäta temperaturförändringen hos en LM317T? (Problemet är ju att komma åt den ty hastighetsregulatorn måste vara ihopsatt för att överhuvudtaget kunna köra tåg).

[Nextuz]

Borde man inte kunna byta ut den mot den kraftigare LM350T, den klarar 3A

http://www.electrokit.com/lm350t.44812

[DaRePo]

Borde man inte kunna byta ut den mot den kraftigare LM350T, den klarar 3A

http://www.electrokit.com/lm350t.44812

Intressant tanke.

Att byta till en LM350T, något jag bedömer som fullt möjligt, skulle ge dubbelt så mycket ström jfr med en LM317T vilket öppnar upp för hissnande perspektiv. Då skulle man ju - åtminstone teoretiskt - kunna köra upp till 10 9V motorer samtidigt, på max hastighet! Kanske mera troligt är att köra upp till sex motorer samtidigt med max hastighet vilket skulle dra 1,8 A.

Men grundproblemet/-frågetecknen ur ett värmeavledningsperspektiv kvarstår och ändras inte nämnvärt jfr med en LM317T.

[marpe]

Är det någon som vet var jag kan få tag i en kylfläns med en termisk resistens på 4 C/W som ryms i Lego regulatorn?

Jag kanske tänker fel men du får ta det för vad det är...

En mycket varm komponent ska kylas av en liten kylfläns, instängd i regulatorn. Kommer all den avledda värmen ut ordentligt? Du vill inte ha kvar värmen inne i regulatorn, så du får modda lite?
Kanske är det lika bra att modda så mycket att du får plats med en överdimensionerad kylfläns? Då slipper du både en flaskhals och en osäker kalkyl.

[Majkel]

Om det bara är värmen som är bekymret så kan man kanske använda ett vattenkylningssystem för datorer? http://www.netonnet.se/art/dator/komponenter/kylning/vattenkylning

[DaRePo]

Är det någon som vet var jag kan få tag i en kylfläns med en termisk resistens på 4 C/W som ryms i Lego regulatorn?

Jag kanske tänker fel men du får ta det för vad det är...

En mycket varm komponent ska kylas av en liten kylfläns, instängd i regulatorn. Kommer all den avledda värmen ut ordentligt? Du vill inte ha kvar värmen inne i regulatorn, så du får modda lite?
Kanske är det lika bra att modda så mycket att du får plats med en överdimensionerad kylfläns? Då slipper du både en flaskhals och en osäker kalkyl.

Jag tänker börja med att köpa två enkla utomhustermometrar med sondkabel. Den ena sonden dras in i hastighetsregulatorn för att få fram värmedata inne i lådan. Den andra lödas fast på kylflänsen för att få svar på frågan vilken värmeutveckling det faktiskt är fråga om i olika driftslägen.

Jag har också tidigare fått förslag om att montera en större kylfläns utanför regulatorlådan, t,ex i en fristående låda byggt med legobitar, med ordentliga öppningar upptill så att den varma luften kan komma ut. Men då måste man koppla ihop den yttre kylflänsen med den befintliga eftersom LM317T:an är fastlödd på en platta med mikrokretsar.

Funderade också på att koppla in en minifläkt men blev avrådd.

Det viktigaste just nu är att få fram fakta så att man har något att förhålla sig till. Med tanke på testresultaten så här långt när jag fortfarande en förhoppning att "elefanten" kanske inte är så stor ...

[marpe]

Varför inte flytta LM317T till ett ställe som är lättare att kyla? Tjocka ledare och kort sträcka. Även om komponenterna närmast är så värmetåliga att de tål att sitta nära LM317T bör du vara försiktig med lödkolven. Bättre att medvetet offra en LM317T för 10 kr än ta några risker. Klipp klipp.

Testresultaten visar bara befintliga tåg, samtidigt som tyngre och snabbare tåg (kanske) snart står högt på önskelistan. Om det bara är en billig flaskhals i vägen...

Termometer med pipande larm har räddat mig i andra sammanhang. Man har ju roligare saker för sig än att vaka över termometern.

[Nextuz]

Är det någon som vet var jag kan få tag i en kylfläns med en termisk resistens på 4 C/W som ryms i Lego regulatorn?

Jag kanske tänker fel men du får ta det för vad det är...

En mycket varm komponent ska kylas av en liten kylfläns, instängd i regulatorn. Kommer all den avledda värmen ut ordentligt? Du vill inte ha kvar värmen inne i regulatorn, så du får modda lite?
Kanske är det lika bra att modda så mycket att du får plats med en överdimensionerad kylfläns? Då slipper du både en flaskhals och en osäker kalkyl.

Jag tänker börja med att köpa två enkla utomhustermometrar med sondkabel. Den ena sonden dras in i hastighetsregulatorn för att få fram värmedata inne i lådan. Den andra lödas fast på kylflänsen för att få svar på frågan vilken värmeutveckling det faktiskt är fråga om i olika driftslägen.

Jag har också tidigare fått förslag om att montera en större kylfläns utanför regulatorlådan, t,ex i en fristående låda byggt med legobitar, med ordentliga öppningar upptill så att den varma luften kan komma ut. Men då måste man koppla ihop den yttre kylflänsen med den befintliga eftersom LM317T:an är fastlödd på en platta med mikrokretsar.

Funderade också på att koppla in en minifläkt men blev avrådd.

Det viktigaste just nu är att få fram fakta så att man har något att förhålla sig till. Med tanke på testresultaten så här långt när jag fortfarande en förhoppning att "elefanten" kanske inte är så stor ...

En fläkt borde väl fungera?... eller vad var avrådan?

[DaRePo]

Som jag tolkade svaret skulle en fläkt inte nämnvärt påverka själva värmeavledningen (dissipating rate) utan bara luftflödet i själva regulatorlådan, förutsatt att det finns tillräckligt med öppningar för från- och tilluft. Och temperaturen kan ju aldrig bli lägre än rumstemperaturen.
           
En rättelse: En regulator av typ LM317T som blir överhettad brinner inte upp. Vid för hög temperatur stänger den helt enkelt av.
Så ur ett trial-and-error perspektiv skulle man kunna säga att så länge regulatorn inte stänger av så har den uppenbarligen inte kommit upp till/passerat den kritiska värmenivån.

I alla tester jag gjort så här långt har jag inte råkat ut för att LM317T:an stängt av men frågan jag ställer mig är: hur nära denna kritiska värmenivå ligger jag egentligen? Och vad krävs för att få reda på var denna kritiska nivå ligger utan att riskera större skador på hastighetsregulatorn eller på motorerna?

Under alla tester har jag med jämna mellanrum känt med handen på hastighetsregulatorn om den blivit varm men så har inte varit fallet.

Kanske någon vet var man kan hitta tekniska data avseende LM317T som även innehåller uppgifter om högsta möjliga/lämpliga driftstemperatur?

[DaRePo]

Varför inte flytta LM317T till ett ställe som är lättare att kyla? Tjocka ledare och kort sträcka. Även om komponenterna närmast är så värmetåliga att de tål att sitta nära LM317T bör du vara försiktig med lödkolven. Bättre att medvetet offra en LM317T för 10 kr än ta några risker. Klipp klipp.

Testresultaten visar bara befintliga tåg, samtidigt som tyngre och snabbare tåg (kanske) snart står högt på önskelistan. Om det bara är en billig flaskhals i vägen...

Termometer med pipande larm har räddat mig i andra sammanhang. Man har ju roligare saker för sig än att vaka över termometern.

Jag vet inte om det går att flytta LM317T. Den sitter ju fastlödd på ett kretskort. Däremot kan man ju tänka sig att köpa en större/kraftigare kylfläns som monteras utanför själva regulatorn och koppla ihop den med en tjock ledare till den befintliga kylflänsen.
Håller med dig vad gäller farhågor med att använda en lödkolv i detta sammanhang.

Ja du Marpe, om jag visste vad som hägrar i framtiden ... Samtidigt måste man vara realist. Jag har nu testat tåg med vikter på över 3 kg med upp till sex 9V motorer i 8 procentiga stigningar. Planerar visserligen att bygga ett eget malmtåg med en Dm3:a (med fyra 9V motorer och två motorer på den sista malmvagnen) och mååånga malmvagnar men mer extremt än så här blir det inte.

Jag har läst om många besvikna Lego tågfantaster som tröttnat på 9V därför att deras 9V motorer förstörts, troligtvis pga av överbelastning. Att pusha ytterligare och riskera motorer som kostar nästan 500 kr styck nytt är inte värt besväret.

PS: Har dock fortfarande svårt att släppa Nextuz' förslag att byta upp till en LM350T. Tanken att köra jättelånga godståg upp- och nerför klätterväggen med fem lok - med var sina två 9V motorer - på en och samma regulator känns svindlande och frestande.
En fantastisk och spektakulär upplevelse till en liten extrakostnad - svårt att avstå ifrån, minst sagt ...

Men det förutsätter att kylningsproblematiken är utredd och åtgärdad.

[marpe]

Som jag tolkade svaret skulle en fläkt inte nämnvärt påverka själva värmeavledningen (dissipating rate) utan bara luftflödet i själva regulatorlådan, förutsatt att det finns tillräckligt med öppningar för från- och tilluft. Och temperaturen kan ju aldrig bli lägre än rumstemperaturen.
           
En rättelse: En regulator av typ LM317T som blir överhettad brinner inte upp. Vid för hög temperatur stänger den helt enkelt av.
Så ur ett trial-and-error perspektiv skulle man kunna säga att så länge regulatorn inte stänger av så har den uppenbarligen inte kommit upp till/passerat den kritiska värmenivån.

Skyddsavstängningen på LM317T är ej att betrakta som gräns för vad alla komponenter mår bra av. Komponenter åldras fortare av värme, vilket är ytterligare ett skäl att säkerställa att den avledda värmen inte stannar i lådan. En sluten låda är som ett övertäckt element. Om elementet inte genererar så mycket värme går det bra, annars får man tänka till.

Kan du posta bilder på kretskort och låda så vi kan se lödförutsättningarna?

Kanske någon vet var man kan hitta tekniska data avseende LM317T som även innehåller uppgifter om högsta möjliga/lämpliga driftstemperatur?

Har du kollat på Elfas datablad?
https://www1.elfa.se/data1/wwwroot/assets/datasheets/tnSTM-LM317_data_en.pdf

[DaRePo]

Här kommer länkar till några bilder på lådan, kretskort samt kylfläns med fastspänd LM317T.

http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?i=6060015
http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?i=6060016
http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?i=6060017
http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?i=6060018
http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?i=6060019

Som framgår av de första två bilderna är lådan hermetiskt stängd, det finns inga öppningar för att släppa ut varm luft! Undrar hur Lego tänkt ....

Man skulle ju kunna borra flera hål i en rad högst upp på baksidan samt längst ner på båda sidorna. Detta skulle ju åtminstone skapa förutsättningar för luftcirkulation. Kanske man skall limma fast lite myggnät på insidan för att undvika en massa ohyra som mygg och flygor inne i lådan.

Arbetstemperaturen för en LM317T (och LM350T) ligger på 0 till +125 grader Celsius.

[pehter aka ibbe]

Det är inte jättestor värmeeffekt som behöver ledas bort, den här borde räcka tycker jag.

Enbart några hål tror jag inte räcker för att få cirkulation i så liten låda.