Elektrik am Modellhelikopter

Elektrik am Modellhelikopter

Ohne Elektrik und Elektronik funktioniert im modernen Helikopter-Modellflugbereich, der definitionsgemäß zum Funktionsmodellbau gehört, fast nichts mehr. In den ganz kleinen ferngesteuerten Mini-Hubschraubern sind meist Platinen verbaut, auf welchen sämtliche erforderlichen Elektro-Komponenten untergebracht sind. Bei den Modellhubschraubern im eigentlichen Sinne, also den mittleren und größeren ferngesteuerten Hubschraubern, finden wir in der Regel einzelne Elektro-Komponenten, wie:

  • Flugregler (Electronic speed Controller, oder kurz ESC),
  • Batterie-Elimination-Circuit (BEC)
  • Empfänger (TX)
  • Akku
  • Servos
  • Gyro/ Kreisel und Flybarless-Kreiselsysteme

sind nur einige Komponenten am Heli, die zur Elektrik bzw. Elektronik gezählt werden.

Helikopter Elektrik auf heli-planet.com

Die Elektrik eines Modellhelikopters

Eine definierte Mindestausstattung an Elektrik und Elektronik ist notwendig, um Modellhelikopter zum Fliegen zu bringen. Dazu gehören

  • Servos für die Taumelscheibe und das Heck,
  • bei Verbrennerhelis ein Gas-Servo,
  • bei Elektro-Hubschraubern ein Elektro-Motor, ein Flugregler und ein oder mehrere Antriebsakkus,
  • falls der Flugregler kein internes BEC besitzt, ein externes BEC oder ein zusätzlicher Akku zur Spannungsversorgung von ebenfalls zur Mindestausstattung gehörenden Komponenten wie Empfänger, Kreisel oder FBL-System,
  • Kabel, Stecker und Buchsen

Hinzu kommen optionale Elektro-Komponenten wie z. Bsp.

  • Beleuchtungs-Systeme,
  • Telemetrie-Systeme und Sensoren,
  • und eine ganze Reihe von anderen optionalen Komponenten, die mit dem eigentlichen Fliegen nichts zu tun haben.

Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten

Alle elektronischen Komponenten am Heli, wie Empfänger, Kreisel oder FBL-System und Servos, ja selbst die Flugregler benötigen eine elektrische Spannung um arbeiten zu können. Der Flugregler stellt hier eine kleine Ausnahme dar. Dieser benötigt zwar eine elektrische Spannung, bezieht diese aber in der Regel direkt aus dem Antriebsakku. Die Spannung am Antriebsakku ist in der Regel jedoch zu hoch, um Empfänger, Kreisel und Servos direkt aus dem Antriebsakku zu speisen. Aus diesem Grunde wurde deren Betriebsspannung früher aus einem Zusatzakku bezogen, der daher die Bezeichnung "Empfängerakku" bekam. Doch Empfängerakkus sind aus der Mode gekommen. Heute bedient man sich meist anderer Lösungen.

Längst Einzug gehalten hat das BEC, ein elektronischer Baustein, der eine geregelte Gleichspannung zwischen 5 und 8,4 Volt für Empfänger und Co. an seinem Ausgang zur Verfügung stellt. Aber auch ein BEC muss seine Betriebsspannung aus einem Akku beziehen. Idealerweise wird das BEC direkt aus dem Flugakku gespeist. Der separate Empfängerakku entfällt dann, was eine Gewichtsersparnis und eine Simplifizierung der elektrischen Verschaltung bedeutet. Doch längst nicht alle BEC vertragen die hohen Spannungen des Antriebsakkus. Manche BEC sind lediglich für den Betrieb an einer Spannung von maximal 8,4 Volt vorgesehen. Man achte daher beim Kauf auch auf den Eingangsspannungsbereich des BEC. Mehr zu BEC gibt es im Kapitel BEC

Die passende Spannung

Spannungsversorgungen früherer Zeiten wurden fast ausschließlich mit NiCd oder NiMH-Akku-Packs realisiert. Diese Akkutypen liefern Betriebsspannungen zwischen 4,8 und 6,0 Volt bei nur relativ mäßigen Stromstärken. Die meisten elektronischen Baugruppen waren nur für diese Spannungen ausgelegt. Ein Betrieb an einem 2-zelligen Lipo Akku (8,4Volt) hätte sie zerstört. Im Laufe der Zeit kamen jedoch immer mehr Empfänger, Flybarless-Systeme, Gyros, Servos und andere Baugruppen auf den Markt, die höhere Betriebsspannungen vertragen.

Der Trend im Modellbaubereich geht eindeutig zu Komponenten mit höheren Betriebsspannungen. So kam der etwas in die Irre führende Begriff "HV-Technik" ins Spiel. HV steht für High Voltage und ist mit "Hochspannung" zu übersetzen. Mit echter Hochspannung hat das jedoch nichts zu tun.

Bei der Zusammenstellung der elektronischen Komponenten für einen Modellhubschrauber muss man beachten, dass alle verwendeten Baugruppen in ihrem zulässigen Spannungsbereich betrieben werden. Sollen HV-Servos an einer geringeren Spannung als 7,4 Volt betrieben werden, was durchaus möglich ist, dann verlängern sich die Stellzeiten der Servos, während sich gleichzeitig die Stellkraft verringert. Es wäre in diesem Fall besser, getrennte Spannungsversorgungen für die Servos (HV-7,4Volt) und die restlichen Komponenten (5,8V) zu realisieren.

Getrennte Spannungsversorgungen

Wenn HV-Servos verwendet werden sollen, aber andere elektronische Komponenten nicht für die hohe Spannung ausgelegt sind, dann empfiehlt sich die Verwendung sogenannter Power Management Systeme (kurz: PMS).
Power Management Systeme werden sehr oft in teuren und großen Scale-Hubschraubern verwendet. Für die kleineren Heliklassen und vor allem für den Einsatz in 3D-Helis sind sie auf Grund ihrer Große und des Gewichtes weniger geeignet.

Was passiert, wenn die Spannungsversorgung für Empfänger, FBL oder Servos zusammenbricht?

Steuern und Landen ist dann nicht mehr möglich! Daher sollte man sich im Vorfeld Gedanken über die Ausführung der Spannungsversorgung machen. Sicherheit bringt nur eine redundante Spannungsversorgung - also zwei unabhängig voneinander arbeitende Spannungsversorgungen. An dieser Stelle möchte ich jedoch auch erwähnen, dass Redundanz auch immer ein Mehr an Gewicht und Bauteilen bedeutet und daher auch einige Nachteile mit sich bringt. "Je mehr Teile - je mehr Nachteile" ist ein Spruch, den man nicht ignorieren sollte.

Manche Piloten haben schon Mal einen Crash mit scheinbar unbekannter Ursache gehabt. Ein kurzzeitig überlastetes BEC könnte die Ursache gewesen sein!

Warum viele Helipiloten trotzdem nur mit einer einzigen Spannungsversorgung am Heli fliegen?

Wenn man beim BEC (oder Flugregler mit integriertem BEC) auf qualitativ hochwertige und richtig dimensionierte Technik setzt, dann ist das Ausfallrisiko schon auf ein durchaus vertretbares Minimum reduziert.

Heute finden überwiegend BECs Verwendung, die direkt aus dem Flugakku gespeist werden. Dabei unterscheiden wir zwischen externen BECs und BECs, die direkt in den Flugregler integriert sind. Letztere Lösung ist die einfachste. Ausfälle sind zumindest bei den hochwertigen BECs extrem selten. Grundvoraussetzung für eine gut funktionierende und relativ sichere Spannungsversorgung ist die Qualität und die maximale Strombelastbarkeit des verwendeten BECs.

An großen RC Hubschraubern sind heute in der Regel sehr leistungsstarke Digital-Servos verbaut. Die Stromaufnahme eines einzigen Servos kann schon mal zwischen 3 und 5A betragen. Bei 4 verbauten Servos und hartem Flugstil muss das BEC mindestens 10A Dauerstrom liefern und kurzzeitig für wenige Sekunden sogar 20A.

Im Folgenden findest du einige Grundschaltungen für versierte Bastler, denen Redundanz wichtig ist. Abwandlungen sind immer möglich.

Spannungsversorgung - Grundschaltung A

Im Bild zu sehen ist eine klassische Verschaltung, bei der ein Regler mit integriertem BEC zum Einsatz kommt.

Obwohl diese Schaltung nicht redundant ist, ist sie sehr häufig bei RC-Helis zu finden. Wählt man ganz gezielt hochwertige BEC aus, dann ist das Ausfallrisiko schon sehr gering.

BEC und ESC

Die Spannungsversorgung für Antrieb und Empfänger erfolgt aus dem Flugakku. Der Empfänger und die Servos, sowie eventuell ein Flybarless-System werden mit derselben Spannung betrieben. Diese Grundschaltung ist weit verbreitet, besitzt jedoch keine Backup-Spannungsquelle, also keine Redundanz! Fällt der Flug-Akku oder das BEC aus, dann ist der Modellhubschrauber nicht mehr steuerbar.

Hinweis: Heck- und Gas-Servo sind manchmal für eine geringere Spannung ausgelegt. Ist das der Fall (heute eher selten), dann ist eine Spannungsverminderung auf 5,1 Volt durch einen "Voltage Down-Regulator" notwendig. Dieser wird zwischen Empfänger und Servo gesteckt.

Spannungsversorgung - Grundschaltung B

Im Bild zu sehen ist eine zweite Verschaltung, bei der eine separate Empfänger-Spannungsversorgung zum Einsatz kommt. Die Spannungsversorgung für Antrieb und Empfänger erfolgt aus zwei verschiedenen Akkus. Der Empfänger und die Taumelscheiben-Servos werden mit derselben Spannung betrieben.

ACHTUNG: In dieser Schaltung wird der Empfänger aus zwei nicht entkoppelten Spannungsquellen gespeist - aus dem Regler-BEC und dem zweiten externen BEC. Nicht jedes BEC ist für einen solchen Betrieb geeignet! Wir empfehlen daher, diese Schaltung nicht zu verwenden.

BEC und ESC

Die Empfänger-Spannungsversorgung mit externem BEC ist hier zwar unabhängig vom Antriebsakku, bietet aber keinen wirklichen Vorteil gegenüber der Schaltung A, da die beiden BEC nicht entkoppelt sind. Es besteht hier natürlich auch die Möglichkeit, das externe BEC aus dem Flugakku zu speisen.

Spannungsversorgung - Erweiterte Schaltung

Im Bild zu sehen ist eine Verschaltung mit zwei separaten und entkoppelten Spannungsversorgungen. Fällt eine Spannungseinspeisung aus, dann erfolgt die Versorgung immer noch durch die jeweils andere.

Diese Schaltung ist redundant. durch die verbauten Dioden wird eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Spannungsquellen vermieden. Die Spannungsversorgung erfolgt stets aus dem BEC, welches die aktuell höhere Spannungslage hat. Diese Schaltung hat aber durchaus auch Nachteile. durch die verwendeten Entkopplungsdioden geht etwas Spannung verloren.

BEC und ESC BEC und ESC
Bitte diese Schaltung niemals ohne die Dioden nachbauen! Nicht alle BEC Typen sind für diese Art der Verschaltung geeignet!

Spannungsversorgung - Servo Direktanschluss

Das Bild zeigt eine Schaltung mit direktem Anschluss der Servos (Spannung und Masse) an die Spannungsquelle. Nur die Signalleitungen der Servos werden an entsprechender Stelle am Empfänger angeschlossen. Bei Einsatz von Hochvolt (HV) Servos, die mit einer Nennspannung von 7,4 Volt (voller Akku: 8,4Volt) betrieben werden, kann das BEC entfallen. Der Anschluss der Servos erfolgt direkt am Akku.

Zu beachten ist dabei, dass auch der Empfänger, sowie andere direkt angeschlossene Elektronik (FBL System,...) für den direkten Betrieb mit dieser Spannung ausgelegt sein muss. durch den Wegfall des BEC gibt es mit dieser Schaltung einen Risikofaktor weniger.

BEC und ESC BEC und ESC

Notwendige Akku-Kapazität und Spannung

Bei Verwendung von 2 gleichen Akkus

Um den Heli nicht mit unnötigem Gewicht zu belasten, sollte man die Akku-Kapazität passend dimensionieren.

Beispiel:

Die Rechnung basiert auf einer durchschnittlichen Gesamt-Stromaufnahme für die Elektronik von 5A. Für einen Flug von etwa 7 Minuten Dauer wird eine Akku-Kapazität von 600mAh (für Servos und Empfänger) benötigt. Mit 2 Akkus je 900mAh kann man theoretisch 3 Flüge je 7 Minuten machen. Dann sind beide Akkus leer.

Beide Akkus haben vollgeladen eine Gesamt-Kapazität von 1800mAh.

Da wir nach dem ersten Flug 2x300mAh = 600mAh verbraucht haben, sind an Restkapazität noch 2x600mAh =1200mAh vorhanden. Die Restkapazität von 600mAh von jedem der beiden Akkus, würde bei Total-Ausfall eines Akkus immer noch für einen vollen weiteren Flug ausreichen. Danach sind in den Akkus noch 2x300mAh = 600mAh vorhanden. 300mAh würden bei Ausfall eines der beiden Akkus nicht mehr bis zur Landung reichen. Aus Sicherheitsgründen müssen beide Akkus nach dem zweiten Flug getauscht werden, auch wenn man noch einen 3. Flug mit der vorhandenen Restkapazität von insgesamt 600mAh machen könnte.

Lipo Abnahme Kapazität

Mit einer Kapazität von 2x1200mAh = 2400mAh könnte man 3 Flüge absolvieren, bevor die Akkus nachgeladen werden müssen.

Verwendung von Akkus mit unterschiedlicher Kapazität

Es dürfen auch Akkus unterschiedlicher Kapazität verwendet werden. Bei Parallelschaltung (wie im Bild) ergibt sich die Gesamtkapazität aus der Summe der beiden Akku-Kapazitäten.

Verwendung von Akkus mit unterschiedlicher Spannung

Theoretisch kann man auch einen 2S-Lipo in Kombination mit einem 5-zelligen NiMH-Akku mit einer Nennspannung von 6.0 Volt in dieser Schaltung verwenden. Strom wird dann im normalen Betrieb nur aus dem 2S Lipo bezogen, da dieser zunächst die höhere Spannungslage hat. Das funktioniert solange, bis dessen Spannung geringer wird als die Spannung des NiMH-Akkus. Die Energieversorgung erfolgt immer aus dem Akku mit der höheren Spannungslage.

Bei etwa 5,5 Volt wäre der 2S-Lipo allerdings bereits beschädigt. So tief darf die Spannung nicht sinken. Da der NiMH-Akku dann allerdings kaum entladen wird, bedarf er in diesem Falle allerdings besonderer Pflege und sollte regelmäßig entladen und wieder geladen werden.

Lipo NiMH Spannungslage

In den Bildern sind nur die Nennspannungen (7,4Volt und 4,8Volt) angegeben. Die tatsächliche Spannung variiert natürlich entsprechend dem Endladungsstand und der Strombelastung des Lipo - also zwischen 8,4 Volt (voll) und unter 7Volt (leer).