Sicher?
...mit nur einer einzigen Spannungsquelle für den Empfänger und/oder die Servos bleibt immer ein mittleres Ausfallrisiko bestehen

RC Empfänger Stromversorgung auf heli-planet.com

Sichere Spannungsversorgung - Anforderungen

Eines gleich vorweg: 100% Ausfallsicherheit gibt es nicht!

Wer auf eine sehr gute fertig angebotene Lösung zurückgreifen möchte, der bedient sich des PowerBUSmini von Marcellinus Pfeiffer bzw. R² Prototyping. Hier gehts zum Testbericht.

Helikopter werden oft mit nur einem einzigen BEC als Spannungsversorgung für Empfänger und Servos ausgeliefert. Manchmal finden auch Akkus als direkte Spannungsquelle Anwendung. Aber bei Verwendung von nur einer einzigen Spannungsquelle stellt ein Ausfall den sicheren Absturz des Helikopters dar. An ein Spannungsversorgungs- System werden daher besondere Anforderungen gestellt, um es möglichst ausfallsicher zu machen.

Am Helikopter der 550er bis 700er Klasse können im 3D Betrieb Strombelastungen auftreten, die 5 Ampere überschreiten! Je Servo! Man sollte immer eine Spannungsversorgung mit ausreichend hoher Strombelastbarkeit auswählen.

Ausreichende Belastbarkeit der Stromversorgung erhöht zwar die Sicherheit, aber viele der am Markt erhältlichen BECs bestehen nicht einmal die einfachsten Tests und man wäre tatsächlich besser beraten, wenn man die Spannungsversorgung direkt über Akkus realisiert - ganz ohne BEC!

BECs benötigen immer einen Akku. Ein einziger Akku bedeutet jedoch einen Komplettausfall bei Ausfall dieses einen Akkus. Es bietet sich hier eine Spannungsversorgung in Form einer Akkuweiche an. Das bringt doppelte Sicherheit durch Verwendung von zwei Akkus. Gute Akkuweichen sind recht ausfallsicher, da die integrierte Elektronik selbst bei Ausfall einzelner Bauteile eine weitere Spannungsversorgung der Bordelektronik gewährleistet.

Einziger Nachteil der Akkuweiche ist ein höheres Abfluggewicht durch den zweiten Akku und die Akkuweiche selbst.

Einen 3D Heli mit einer solchen Akkuweiche auszustatten, würde oft eine unzumutbare Gewichtserhöhung bedeuten. Man ist also gezwungen eine zweite, leichte Not- Spannungsquelle (Sekundärspannungsquelle) als Backup zu verwenden, die im Falle eines Ausfalls der Primärspannungsquelle die Spannungsversorgung übernimmt.

Wie schon erwähnt, bietet sich hier das PowerbusMini von r²prototyping bestens an. Dieses bietet außerdem eine getrennte Spannungsversorgung von Servos und Elektronik. Damit wird das System noch ausfallsicherer und weniger störanfällig.

Warum? Es ist Tatsache, dass manche Servos nicht ganz "sauber" sind, was die Rückinduktion von Spannungsspitzen in die Versorgungsleitungen betrifft. Man nennt diesen Effekt auch "Generatoreffekt". Diese Spannungsspitzen können die restliche Elektronik stören und sogar zum Komplettausfall führen. Da es keine Pflicht für die Hersteller ist, die entsprechenden Angaben im Datenblatt der Servos mit anzugeben, kann man nicht sicher sagen, ob ein Servo "sauber" ist. Es gibt Servos, welche Spannungsspitzen bis über 30 Volt (!!!) auf die Versorgungsleitung induzieren. Diese Spannungsspitzen werden zwar zum Teil durch andere Verbraucher und direkt angeschlossene Akkus bzw. Kondensatoren abgepuffert. Niemand kann jedoch sicher sein, dass nicht irgendwann eine solche Spannungsspitze einen Elektronikausfall herbeiführt.

Wer das PowerbusMini nicht verwenden möchte, der hat noch andere Möglichkeiten. Die im folgenden vorgestellte Lösung mit Entkopplungsdioden ist zwar simpel - hat jedoch auch Nachteile!

Die Nachteile entspringen aus den Dioden selbst, da diese je nach Bauart bei steigender Temperatur weniger strombelastbar sind. Dazu sperrt eine Diode aber auch den Rückstrom zum Akku bzw. BEC. Dadurch werden Spannungsspitzen, die durch Servos erzeugt werden können, nicht mehr abgepuffert. Die Spannungsspitzen können so in voller Stärke auf die restliche Elektronik wirken. So kann es zu Elektronikausfällen kommen, falls man nicht andere Vorkehrungen trifft.

Verwendet man Akkus zur direkten Spannungsversorgung, so werden mögliche schädliche Spannungsspitzen durch den Akku abgepuffert, da sie in den Akku "abfließen" können. Auch BECs haben durch ihre ausgangsseitigen Kondensatoren zumindest sehr begrenzte Möglichkeiten Spannungsspitzen abzupuffern. Das Problem mit den potentiell gefährlichen Spannungsspitzen stellt sich also generell, außer man schließt Akkus direkt als Spannungsquelle an.

Eine gute Möglichkeit, den Einfluss von Spannungsspitzen auf die Elektronik zu eliminieren, ist die getrennte Spannungsversorgung von Elektronik und Servos. Da viele Helis nur mit (einem) BEC fliegen, ist ein erhöhtes Ausfallrisiko durch Spannungsspitzen je nach Servoausstattung stets vorhanden.

An moderne Spannungsversorgungs- Systeme werden also folgende Anforderungen gestellt.

1. Ausreichende Belastbarkeit

2. Ausfallsicherheit /Backupversorgung

3. Trennung von Empfänger und Servostromkreis


Entkopplungsdioden

Hier sollte nur weiterlesen, wer sich den oberen Teil dieser Seite gut durchgelesen und verstanden hat. Ich habe diese Lösung mit Dioden an zwei Helikoptern (600er und 700er) seit zwei Jahren ohne Ausfall im Einsatz. Trotzdem würde ich bei einem teuren Scalemodell auf andere Lösungen zurückgreifen.

Es gibt eine einfache, preiswerte und sehr praktikable Lösung mit Entkopplungsdioden. Dabei spielt es keine Rolle welche Arten von Spannungsquellen (Akkus, Akkus mit BEC, BECs in ESCs integriert usw.) man einsetzt. Doch zunächst einige Info zur Sekundär- Steuerspannungsquelle.

An die sekundäre Spannungsquelle werden keine allzu großen Anforderungen gestellt. Sie muss lediglich genügend Kapazität haben, um damit eine volle Flugdauer durchzustehen und dabei die notwendige Spannung liefern, die Servos und Empfänger zum fehlerfreien Betrieb benötigen. Daher bietet sich ein einfacher 4 oder 5 zelliger NiMH Pufferakku mit 2000 bis 2500mAh Kapazität als Sekundärspannungsquelle an. Dieser reicht selbst für Helis der 600er und 700er Klasse vollkommen aus. Für kleinere Helis reichen auch Kapazitäten um 1000mAh.

Es genügt allerdings nicht, diesen Sekundären Akku einfach parallel zur Primärspannungsquelle anzuschließen. Das wäre nicht ganz zu Ende gedacht! Bei einem Kurzschluss an der Primärspannungsquelle wäre dann auch die Sekundärspannungsquelle kurzgeschlossen und umgekehrt. Sicherer würde unsere Spannungsversorgung dann nicht sein, eher noch risikoreicher.

Es funktioniert aber trotzdem. Die beiden Spannungsversorgungen müssen entkoppelt werden. So hat man am Ende doppelte Sicherheit, da zwei unabhängige Stromversorgungen für die Elektronik und die Servos zur Verfügung stehen. Fällt die primäre Spannungsquelle aus, springt die sekundäre Spannungsquelle unterbrechungsfrei ein. So kann man den Helikopter ohne Probleme weiterfliegen und landen.

WICHTIG: Bei Verwendung von Entkopplungsdioden in der Zuleitung kann die Spannungsspitze nicht mehr in den Akku abfließen, da die Diode ein "Abfließen" der Spannung in Richtung Akku verhindert - das ist ja auch ihr Zweck. Bei Anschluss von Empfänger (oder/und FBL) und Servos an ein und derselben Spannungsquelle, besteht bei Verwendung der Entkopplungsdioden ein erhöhtes Ausfallrisiko, da die Spannungsspitzen nicht in den Akku "fließen" können.

Aus diesem Grund empfehle ich auf jeden Fall, die folgenden Schaltungen immer mit Pufferkondensatoren (Elkos, zwischen 6.000 und 10.000 Microfarad) auszurüsten, bzw. die Servo- und Empfängerstromversorgung zu trennen. Wer auf fertige und funktionierende Lösungen zurückgreifen möchte, der bedient sich am Markt, z.Bsp. bei Marcellinus Pfeiffer bzw. R² Prototyping


Eine simple Lösung

Die in den Flugreglern eingesetzten Elektroniken zur Spannungsüberwachung und -regelung erlauben keinen direkten Anschluss eines weiteren Akkus und im Fall eines Kurzschlusses in der primären Spannungsversorgung würde wie schon erwähnt, die sekundäre Spannungsversorgung auch abschwirren. Unsere Absicherung wäre also komplett nutzlos. Wir müssen die Stromkreise der primären und der sekundären Spannungsversorgung voneinander entkoppeln, so dass sie keinen negativen Einfluss aufeinander haben. Das realisieren wir ganz einfach mit Dioden, sogenannten "Entkopplungsdioden".

Vorteile dieser Lösung:

  • preiswerte Lösung (etwa 1 EUR pro Diode)
  • die Dioden sind robust und arbeiten in weiten Temperaturbereichen
  • nur mit einem elektronischen Bauteil (Diode) zu realisieren
  • zwei unabhängige Spannungsversorgungen werden damit realisiert
  • sehr geringes Gewicht der Bauteile
  • relativ vibrationsunempfindlich

Nachteile:

  • Löterfahrung erforderlich
  • Die Gefährdung durch Spannungsspitzen ist nicht eliminiert. Hier sind weitere Maßnahmen erforderlich.

Vor dem Start des Helikoptermotors wird die Funktion des Empfängers und der Servos durch Einschalten der Sekundärspannungsquelle getestet ohne den Antriebs- Akku anklemmen zu müssen. Das ist ein wesentlicher Sicherheitsfaktor bei Elektrohelikoptern


Das Schaltungsprinzip

Schottky_Diode
BEC
BEC Dioden redundante Modell Helikopter Spannungsversorgung

Je eine Schottkydiode wird in die + (plus) Kabel des Pufferakkus und des BEC s eingebaut.
Steckverbindungen sind immer von Nachteil, darum löten wir die Dioden fachgerecht in die Kabel ein.

Der Pufferakku muss ein 4 (oder 5) zelliger NiMH Akku (4,8Volt) mit ausreichender Kapazität sein, der aber noch einen separaten Lade- Anschluss ohne zwischengeschaltete Schottkydiode braucht. Den im Bild dargestellten Schalter kann man auch weglassen. 1800 bis 2500mAh reichen für unsere Zwecke aus.

Damit ist im Falle eines Ausfalls des BEC eine Stromversorgung für mindestens eine volle Flugzeit von 5 bis 15 Minuten gewährleistet.

Das Reglerkabel wird ganz normal am Empfänger angeschlossen. Der NiMH- Pufferakku wird an den Akku- Anschluss oder einen anderen freien Platz des Empfängers gesteckt. Auf den im Bild zu sehenden Schalter kann verzichtet werden, dann ist das System noch sicherer. Strom fließt nun durch den Einbau der Schottkydioden immer nur von der Quelle mit der höheren Spannung. Der Empfänger und auch die Servos werden also immer von der Quelle mit der höheren Betriebsspannung versorgt.

Die zweite Schaltung (unten) zeigt zusätzlich ein eingebautes externes BEC, welches direkt an den Flugakku angeschlossen wird. Dieses kann man auch direkt an die Servos anschließen.


Geeignete Typen von Entkopplungsdioden

Die Dioden- Typen MBR 1645 (kann auf Kühlkörper montiert werden) für höhere Ströme bis 16A, SBH 1240 o. ä. geeignet bis 12A, sowie die SB 340 o. ä. bis 3A Stromstärke sind geeignet.

Immer wieder kommt die Diskussion auf, ob es durch den Einbau von solchen Entkopplungsdioden zu weiteren Beeinflussungen in der Bordelektronik des Helis kommen kann. Diese Frage muss mit ja beantwortet werden, wenngleich dies von mehreren Faktoren abhängt.

Fakt ist, dass durch den Einbau einer solchen Diode eine beispielsweise vom Servo erzeugte induktive Spannung nicht wie gewohnt in den Akku abfließen kann, wie das ohne Diode der Fall wäre. Ohne Diode wirkt der Akku wie ein "Puffer", der solche Spitzen aufnimmt. Ist hingegen eine Diode eingebaut, dann blockiert diese den Rückfluss zum Akku. Die Spannungsspitze muss in diesem Fall von anderen elektrischen Verbrauchern aufgenommen werden.

Wie hoch diese Spannungsspitzen sind, hängt jedoch von vielen Faktoren ab. Ob diese Spannungsspitzen überhaupt Störeinfluss haben, und wenn ja, wie groß dieser ist, ist ebenfalls abhängig von den Gegebenheiten und den eingesetzten Bauteilen.

Wer solche Spannungsspitzen herausfiltern möchte, der baut zusätzlich einen Elko (Elektrolytkondensator) mit hoher Kapazität nach der Diode ein. Der Elko wird zwischen spannungsführenden Leiter (ROT) und Masse (SCHWARZ) eingebaut.


So wird die Funktion vor dem Flug überprüft

Vor einem Flug testest Du die Funktion der primären und der sekundären Spannungsversorgung unabhängig voneinander.

Auf unser oben vorgestelltes System würde das bedeuten:

1. Test nur mit Pufferakku ohne angesteckten Flugakku (kein BEC)

2. Test mit abgeklemmtem Pufferakku und angestecktem Flugakku (mit BEC)

Den „Pufferakku“ musst Du nach jedem Einsatztag oder öfter mit einem modernen Lade/Entladegerät mit Lademengenanzeige kontrollieren.