Im Laufe der Jahre sind viele Tipps zusammengekommen, die sich auf die beliebte RS41 der Firma Vaisala beziehen. Sie stammen aus unserer zahlreichen und aktiven Community. 

• Layout-Anpassungen in 2024 (noch zu füllen)
• Stromversorgung
• Gewichtsreduzierung – was kann weg
• Antennenspielereien
• Externe Geräte über Programmierport mit Spannung versorgen
• GPS-Maus aus RS41 anfertigen

Layout-Anpassungen in 2024

Die Firma Vaisala hat 2024 erste Sonden mit einem leicht geänderten Layout und neuen Bauteilen ausgeliefert. Da es sich im Kernstück um einen neuen Prozessortyp handelt und einen anderen GPS-Chip, gilt es hier nun die Amateur-Software ebenfalls anzupassen. Noch tauchen die neuen Modelle nicht bei allen Wetterstellen auf, aber früher oder später wird das so sein. 

Wie man diese Sonden erkennt?  Das wird zusammen mit einer potentiellen neuen Firmware gerade frisch auf Github vorgestellt (englisch): 
Github:    https://github.com/Nevvman18/rs41-nfw

Stromversorgung

Es gibt mehrere Möglichkeiten eine RS41 mit Strom zu versorgen. Zur Regelung der Betriebsspannung hat der Hersteller mehrere Regler eingebaut. In den beiden gezeigten Stufen, wird jeweils einer in der Kette übersprungen. Vor- und Nachteile zeige ich auf.

Original-Batteriehalterung

Zerlegt man eine RS41, dann sieht man einen Plastik-Halter für zwei AA-Batterien, der auf der Platine aufgeklipst ist. Er integriert die beiden kupfer glänzenden Kontaktpunkte, die fest auf der Platine verlötet sind. Man kann hier zwei neue Batterien einlegen und weitermachen. Das ist aber nicht zu empfehlen.

Nutzt man diese Möglichkeit  der Sonde eine Spannung zuzuführen, dann unterliegt diese einer automatischen Abschaltregelung. Ist die Spannung irgendwann zu niedrig, schaltet sich die Sonde ab, obwohl eigentlich noch „Saft“ drin währe.  

Das hat nur Nachteile. Einerseits ist eine zweite Batterie zusätzliches Gewicht, ebenso auch übrigens der Batteriehalter, zweitens wird über den steuernden Regler unnötiger Strom verbraucht, was für unsere Zwecke die Betriebszeit verkürzt. 

Die RS41 ist ursprünglich für Einsätze um die 3 Stunden konzipiert, nicht für längere Flüge. Auch besteht bei 3 Stunden auch kein Interesse den Energieverbrauch zu optimieren.

Geöffnete RS41 mit Original-Batteriehalter

Spannungszuführung an einem SMD-Bauteil

Bild unten:  Punkte 1 Plus, 3 Minus:  Nutze man diese Methode der Sonde Strom zuzuführen, umgeht man den ersten der Spannungsregler. Nun kann man auch mit einer 1,5 AA Zelle arbeiten. Die Batteriehaltung kann entfernt werden. Die beiden sperrigen Metallklemmen auf der Platine, können abgelötet werden. Ohne Halterung lötet man besser die AA-Zelle an ihrem Plus- und Minus-Pol mit einem flexiblem Kabel fest an. Damit die Sonde nicht schon anfängt die Batterie zu leeren, hilft ein praktischer Tipp. Die Minuskabel nach unten herausführen nähe der Datenbuchse, abzuisolieren und bei Bedarf dann zusammenzudrehen/-verlöten vor dem Start. 

Vorteile:

• Weniger Gewicht mit nur einer AA Zelle
• Eigenverbrauch des ersten Spannungsreglers wird übergangen
• Die Spannung ist bis herunter zu 0.9 Volt noch ausreichend
• Der dafür jetzt noch aktive Spannungsregler liefert auch für die Software noch einen Wert, der mit übertragen werden kann. 

Nachteile:

• Mit nur noch einer AA Batterie halbiert sich auch der zur Verfügung stehende Strom. Das ist aber nur halb so schlimm, denn im Gegensatz zur originalen Sendeweise von einem Paket pro Sekunde, sendet die Amateur-Software konfigurierbar aber standardmäßig mindestens 4 Sekunden pro Minute. Das reicht für cirka 3 Tage Betrieb rund um die Uhr.
• Der Regler, der aus der Batteriespannung von 0.9 bis 1,7 Volt die nötigen 3.3 Volt hoch mischt, benötigt beim Start für 5 Sekunden 1,8 Ampere. Das ist heftig und bei Betrieb mit Batterien kurzzeitig kein Problem, aber nimmt man Solarzellen, dann müssen die 1,8 Amp durch das Zusammenschalten von 3 x 6 Zellen parallel generiert werden. Das erhöht nicht nur das Fluggewicht, sondern auch die Kosten. Ebenso ist hier noch ein Puffer-Kondensator nötig, der zwischen Plus und Minuspol eingesetzt wird. Er sollte 1.000 bis 2.000 µF haben und wegen der Kälte aus Tantal bestehen. Normale Kondensatoren gefrieren und bilden einen Kurzschluß oder explodieren.

Spannungszuführung an einem weiteren SMD-Bauteil umgeht letzten Regler

Bild oben, Punkte 2 Plus, 3 Minus. Da alle Spannungsregler einen Eigenverbrauch haben, kann es hilfreich sein um noch mehr Energie zu sparen, dass auch der letzte Regler umgangen wird. Hier gibt es dann aber einige Einschränkungen, die man vorher wissen sollte.

Lötet man den Pluspol an der markierten Stelle an, dann benötigt die Sonde für den Betrieb eine Spannung mit geringer Toleranz von 3.0 bis 3.5 Volt.  Dieser Speisepunkt ist also ungünstig wenn man mit Batterien fliegen will, da man hier wieder zwei AA Zellen benötigt und das Gewicht erheblich steigt. Besser ist es, wenn man mit Solarzellen arbeitet. Hier muss man dafür sorgen, dass genug Platten zusammen kommen, die unter Sonneneinstrahlung diese Spannung erreichen. Dann passt es.  Da mit dem letzten Regler auch der höhere Einschaltstrom entfällt, den dieser angefordert hatte (1,8 A für 5 Sekunden), reichen nun auch 6 Solarzellen mit je 0,5 Volt und 400mA aus. Die Sonde zieht mit der Amateur-Software ca. 100-150 mA beim Senden, sonst 40-50 mA im Ruhebetrieb (GPS). 

Vorteile:

• Der Startstrom ist niedrig und ideal um die Sonde mit Solarzellen zu versorgen
• Durch Umgehung des letzten Spannungsreglers sinkt der Verbrauch insgesammt nochmal um 20 mA (cirka). Bei Einsatz von Solarzellen ist das nicht mehr ganz so wichtig.

Nachteile:

• Ohne jeglichen Regler gibt es jetzt keine Möglichkeit mehr (nach aktuellem Stand), dass die Software, die Batteriespannung mit übertragen kann. Bei Betrieb aus Solarzellen kann man das verschmerzen. 
• Gefahr der Bauteilzerstörung durch Überspannung: 
  6 Solarzellen erzeugen unter optimalsten Bedingungen ca. 3,5 Volt – bei Schleierbewölkung dann herunter bis 3,2 Volt. Der Spannungsrahmen ist also akzeptabel. Bei mehr als 3,8 Volt besteht dann je nach Toleranz der Bauteile die Gefahr, dass GPS oder die CPU Schaden nehmen und ausfallen – beide arbeiten mit 3,3 Volt nominal.

Gewichtsreduzierung – was kann weg?

Wenn man die RS41 auspackt, sind einige Dinge zu finden, die nicht weiter benötigt werden, da sie für den Betrieb der neuen Software keine Rolle spielen. Sie erhöhen nur das Gewicht. Somit sparen wir das teure Helium-Ballongas.

1. Batteriehalter– ist nur eingerastet auf der Platine
2. Sensor-Boom – einfach kräftig ziehen
3. Drucksensor auf der Rückseite (kleine Platine ist nur aufgedrückt)
4. Batterieklemmen – Mit Lötkolben 350-400 Grad und einem Tropfen Lötzinn entfernen.
5. Unterer Teil der Platine kann abgesägt werden: Programmierbuchse mit RFID Antenne

Fotos: Tomaszow SQ7ACP

Aufgeklipste Platine entfernen

Nach der Programmierung kann der markierte Teil der Platine abgesägt werden. Auf Reste von Metall achten – Kurzschlussgefahr

Der Sensor-Boom kann einfach abgezogen werden.

Antennenspielereien

Schaut man sich das Stück Stahlseil an, das hier als Antenne dient, fragt man sich doch, ob sich da etwas optimieren lässt. Bei einigen Flügen mit der RS41 haben auch Antennen-Experimente stattgefunden. Hier die Antennen und die Einschätzungen.

Original-Antenne

Sie besteht aus einem Stahlseil und ist für die Frequenz 403 +/- MHz als Lamda/4 Antenne wirksam. Bei einem Dipol gibt es immer zwei gleich lange Stücke, wobei eines an Masse angeschlossen ist. Hier bei der RS41 dient die Massefläche und metallhaltiges darauf als „Gegengewicht“ zum einschenkeligen Dipol – dem Stück Draht was wir sehen. 

Nun denkt man sich zunächst nach bestehenden Formeln, dass wir bei Sendungen auf 433 MHz nun eigentlich die Antenne verkürzen müssten, damit sie wieder optimal in Resonanz ist. Wir vergessen allerdings, dass wir die Sonde ziemlich ausgezogen haben. Damit ist viel an Metall reduziert worden, so z.B. der Sensor-Boom, der als Gegengewicht eine große Rolle spielte. Es gibt nun zwei Dinge die wir tun können:

1. Die Antenne wird verlängert um 4-5 cm. Das haben Funkamateure in den Staaten ausgemessen und empfehlen dies.
2. Die Antenne bekommt ein neues Gegengewicht.  Wir löten ein Stück Draht neben der Antenne an Masse an, welches die gleiche Länge wie die Originalantenne hat. Wichtig: Dieser Draht sollte in die Entgegengesetzte Richtung der Antenne zeigen. Er ist gut parallal zur Platine nach oben geführt. Die Antenne hängt ja weiterhin nach unten. Somit ist die Polarisation weiter vertikal. 

J-Antenne als Lamda/2

Eine J- Antenne hat eine Länge bei 435 MHz von ca.  50 cm (Siehe Berechnungsgrundlage unten). Sie besteht zusätzlich aus einem kürzeren Parallel-Draht im Abstand von 1-2 cm. Unten sind beide Drähte verbunden. Daher der Name: Sie sieht wie ein zusammengedrücktes „J“ aus. Wie man diese anfertigt ist jetzt nicht das Thema. Wie sie sich in der Luft bemerkbar macht, dass galt es herauszufinden.

Der Versuch verlief zwar erfolgreich, aber es zeigte sich, dass sich der Aufwand nicht lohnt. Die Antenne muss abgestimmt werden. Dies ist nur an der Sonde und nur mit einem zusätzlichen Messgerät möglich. 

Schauen wir uns die Abstrahlung einer solchen J-Antenne mal genauer an: 

Sie hat laut Antennensimulation einen Abstrahlungsgewinn in der Horizontalen, wenn sie vertikal aufgehängt ist. Der Gewinn wirkt sich also zum Horizont hin aus, das Signal das unter dem Ballon erzeugt wird, nimmt an Stärke ab. Die Strahlung wird also zum Horizont hin gebündelt. 

Die bisherigen Antennen haben eine ziemlich verteilte Abstrahlung (fast kugelförmig), da wenig Richtwirkung erzeugt wird. Damit ist das Signal am Boden in etwa gleichstark mit dem am Horizont. Ist eine Sonde in der Luft, hat sie freie Sicht ohne Hindernisse bis zum optischen Horizont. Da schlägt die Physik zu und sagt, dass ohne Hindernisse, die Abstrahlung nur dem Luftwiderstand/Feuchte und der allgemeinen Streckendämpfung gebremst wird. Die macht sich aber auf ein paar Hundert Kilometer noch nicht kritisch bemerkbar. Die wenigen Milliwatt der Sonde reichen also bereits mit dem Stück Originaldraht bis dort hin und müssen nicht mehr gebündelt werden. Am Boden unter der Sonde ist sie damit besser zu hören, als mit der J-Antenne. Diese macht sich sogar negativ bemerkbar. Bei Höhen um die 35 km haben Sonden mit 15 mW bis zu 800 km Entfernung noch gute Empfangswerte. Bis zum optischen Horizont halt.

Externe Geräte über Programmierport mit Spannung versorgen

Sollen mal zusätzliche Platinen mitgeschickt werden, ist es interessant zu wissen, das uns an dem Konnektor Pin 6 eine geregelte Spannung von 3.3 Volt zur Verfügung steht, egal mit was für einer Betriebsspannung wir vorne arbeiten. Das gilt jedoch nicht, wenn wir den Strom unter Umgehung des letzten Reglers einspeisen. 

Die Belegung des Ausgangs unten an der Sonde: 

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|   10          8           6           4           2   |
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Blick von unten auf den Ausgang der Buchse. Achtet auf die Einbuchtung an der Buchse. Auf der Platine stehen die Zahlen 1 und 2 als zusätzliches Erkennungsmerkmal.

• 1 – GND
• 2 – I2C2_SDA (PB11) / UART3 RX
  • This is the external I²C port data pin for Si5351 and sensors
  • This pin can be used as input for the pulse counter.
• 3 – I2C2_SCL (PB10) / UART3 TX
  • This is the external I²C port clock pin for Si5351 and sensors
  • This pin can alternatively be used to output GPS NMEA data to external tracker hardware (e.g. Raspberry Pi or other microcontrollers)
• 4 – +VDD_MCU / PB1 * (10k + cap + 10k)
• 5 – MCU switched 3.3V out to external device / Vcc (Boost out) 5.0V
  • This pin powers the device via 3.3V voltage from an ST-LINK programmer dongle
  • This pin can be used to supply power to external devices, e.g. Si5351, BMP280 or other sensors
• 6 – +U_Battery / VBAT 3.3V
• 7 – RST
• 8 – SWCLK (PA14)
• 9 – SWDIO (PA13)
• 10 – GND

GPS-Maus aus RS41 anfertigen

Auch wenn man die gefundene RS41 nicht mehr fliegen lassen will, kann doch etwas aus ihr Wiederverwendet werden.  Es gibt Anleitungen die uns zeigen, wie man z.B. den GPS-Teil heraustrennen und anderweitig einsetzen lässt.

Hier Auszüge aus einem Beitrag: RS41-UBLOX-GPS

Betrachten wir uns die Teile der Platine auf der Rück- und Vorderseite:

Entlang der gelben Linie kann der Block mit dem GPS-Chip ausgesägt werden. Bauteile, die sich auf der gelben Linie befinden, sollten vorher mit dem Lötkolben oder Heisluftgebläse entfernt werden.  Entlang der Schnittkante später die Metallreste mit einer Feile oder Sandpapier entfernen.

Wichtig: Den Bereich um die GPS-Antenne immer frei von metallischen Gegenständen, wie Kabeln etc. halten.  Da mit diesem kleinen Exemplar die Pegel schon niedrig sind, sollte jede zusätzliche Einschränkung Signale zu erfassen vermieden werden. 

Als Spannung kann entweder 5 oder 3,3 Volt angelegt werden. Der Punkt GND steht stellvertretend für alle Punkte in dieser Ecke. Zur Sicherheit vorher durchmessen. 

Es empfiehlt sich, die angelöteten Kabel später noch mit etwas Heißkleber zu fixieren, damit auf der kleinen Lötfläche keine Zugspannung entsteht.

Um den seriellen Daten-Ausgang/-Eingang RXD/TXD an einem USB Anschluss verwenden zu können, wird noch ein TTL-Wandler von 3,3 auf 5 Volt-USB benötigt. Über diesen kann man die GPS-Platine dann auch mit der notwendigen Spannung vom USB-Anschluss aus versorgen.

Um die GPS-Platine über den Rechner am USB Anschluss ansprechen zu können, ist die serielle Geschwindigkeit 9.600 Baud zu wählen. 

Der 5 Volt Eingang auf der Platine des GPS wird nicht wirklich empfohlen.

Bei der Verwendung von 5 Volt gibt es Dinge zu Beachten. Der Spannungsregler senkt die Versorgungsspannung für den Chip auf 3,0 V nicht auf 3,3 Volt. Wenn also nur Daten vom UBlox empfangen werden sollen, sollte dies kein Problem darstellen, jedoch kommen beim Senden von Kommandos an den Chip 0,3 Volt zu viel an um den Übergang von High nach Low sauber auseinanderzuhalten. Dazu wäre dann noch eine Pegelanpassung von 3,3 auf 3,0 nötig, wenn es Schwierigkeiten dabei gibt.