Spannungsversorgung am Modellheli
BEC, Empfänger, Akku, Servo, Gyro
...sind nur einige Teile am Heli, die zur Elektrik
bzw. Elektronik gezählt werden
Die Elektrik eines Modellhelikopters
Ein Modellhelikopter benötigt zum Fliegen eine Mindestausstattung an Elektrik und Elektronik.
Diese Ausstattung umfasst in der Regel
- die Servos für die Taumelscheibe und das Heck,
- bei Verbrennerhelis außerdem ein Gasservo,
- bei Elektrohelis einen E- Motor nebst Flugregler und Antriebsakkus
- Hilfsakkus und Stützakkus zur Empfänger- und
BEC
- Spannungsversorgung,
- einen (oder mehrere) Empfänger,
- sowie Gyro/ Kreisel oder FBL System,
- Verkabelung
Des Weiteren kommen optionale Elektrobauteile dazu, wie z. Bsp.
- Beleuchtung,
- Telemetrie- Systeme
- ...
Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten
Alle elektronischen Komponenten am Heli, wie der Empfänger, das
FBL
Längst Einzug gehalten haben die sogenannten BEC
Mehr zu BEC gibt es im Kapitel Spannungsversorgung mit einem BEC
Die richtige Spannung
Spannungsversorgungen früherer Zeiten wurden fast ausschließlich mit NiCD oder NiMH- Akku Packs realisiert. Diese lieferten Betriebsspannungen zwischen 4,8 und 6,0 Volt und nur relativ mäßige 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 entwickelten die Hersteller Empfänger, Flybarless- Systeme, Gyros und andere Baugruppen, die höhere Betriebsspannungen vertragen.
Der Trend im Modellbaubereich geht eindeutig zur HV
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 die Stellkraft verringert. Es wäre in diesem Fall besser, getrennte Spannungsversorgungen für die Servos und die restlichen Komonenten zu realisieren.
Getrennte Spannungsversorgungen
Wenn beispielsweise HV- Servos verwendet werden sollen, aber andere elektronische Komonenten nicht für die hohe Spannung ausgelegt sind, dann empfielt 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.
Aber es gibt ein System, welches eine getrennte Spannungsversorgung für Servos und restliche Elektronik bietet. Es hat eine geringe Baugröße und ist federleicht. Selbst ein Anschluss für einen Backup- Akku ist vorhanden. Damit ist dieses System wirklich eine klare Empfehlung auch für alle 3D Hubschrauber.
Die Rede ist vom R² Prototyping PowerBUSmini - als wirklich sinnvolle Ergänzung zum BEC um die Ausfallsicherheit der Spannungsversorgung enorm zu erhöhen:
- R² Prototyping - Power BUS Mini (Beim Power BUS Mini ist etwas Lötarbeit erforderlich)
mehr Info zum PowerBUSmini
Das Power BUS Mini
Gerade bei teuren RC- Modellen stellt sich die Frage, wie man die Spannungsversorgung mit minimalen Mitteln ausfallsicher gestalten kann. Bei den kleineren Modellen kommen die typischen DPSI- Systeme, auf Grund ihrer Abmaße und Gewichtes nicht in Frage.
Das PowerBUSmini schließt diese Lücke. Seine Abmaße sind gering. Die maximale Strombelastung ist sehr hoch und sein Preis ist verhältnismäßig gering. Mittels einer Trenn- und Pufferungsschaltung versorgt es die Servos und RC-Empfänger/FBL System vollkommen unabhängig voneinander und entkoppelt dabei sogar beide Stromkreise voneinander. Dadurch werden auftretende rückinduzierte Spannungen der Servos unterdrückt und die empfindliche Elektronik des Empfängers und/oder des FBL Systems vor Beschädigung durch Überspannung geschützt.
Das PowerBUSmini wird fast einsatzfertig geliefert. Die Platine ist bereits fertig bestückt. Der Zusammenbau beschränkt sich auf das Anlöten der Kabel.
Wir bieten das PowerBusMini in unserem Shop auch als fertig verlöteten Baustein im Kunststoff- Gehäuse an. PowerBusMini jetzt kaufen
Lieferumfang:
- PowerBUSmini (bestückte Platine)
- Verbindungskabel zum Stabi/Empfänger (1x 3-polig und 3x 1-polig)
Technische Daten:
- Betriebsspannung: 2-10 V
- Stabi Ausgang: 6 V, 1,5 A max.
- Spitzenstrom: 60 A
- Abmessungen: 44 x 34,5 x 7 mm
- Gewicht: 14 g inkl. Kabel
- Anschluß für 4 Servos
Kleine Flugmodelle - Die Vorteile des PowerBusMini
Schottkydioden
Eine häufig praktizierte Lösung zur Herstellung einer redundanten Stromversorgung für RC Modelle ist die Verschaltung von Pufferakkus in die Stromversorgungen von RC-Modellen unter Verwendung von Schottkydioden. Diese Lösung wurde unter Spannungsversorgung ausfallsicher beschrieben.
Geringe Abmaße und geringes Gewicht.
Die Stromkreise für Servos und Empfänger/FBL System sind dabei nicht voneinander entkoppelt.
Bei hohen Strömen erwärmen sich die Dioden ohne Kühlung sehr stark.DPSI Systeme (Dual Power System Interface), PMS (Power Management Systeme)
DPSI/PMS Systeme beziehen ihre Spannung in der Regel aus zwei gleich dimensionierten Akkus (gleiche Zellenzahl). Dabei wird der Strom immer aus dem Akku mit der höheren Spannungslage bezogen. Beide Akkus entladen sich also gleichmäßig während des Betriebes.
Abmaße und Gewicht zu groß für kleine Modelle.
Hohe Anschaffungskosten.
Die Stromkreise für Servos und Empfänger/FBL sind voneinander entkoppelt.
PowerBUSmini
Das PowerBUSmini stellt getrennte Spannungen für RC-Elektronik und Servos zur Verfügung und bietet die Anschlussmöglichkeit eines Pufferakkus. Der Pufferakku wird nach dem Rückstromschutz und vor dem Wandler eingespeist, sofern der dafür vorgesehene Anschluss verwendet wird. Wenn die angeschlossene Hauptspannungsquelle ausfällt, werden Elektronik und Servos über den angeschlossenen Pufferakku lückenlos weiterversorgt. Insbesondere erhält der Empfänger weiterhin eine stabilisierte Spannung von 6 Volt, auch wenn die Pufferakkuspannung unter 6 Volt fällt!
Geringe Abmaße und geringes Gewicht, ideal für kleine Modelle.
Geringe Anschaffungskosten.
Die Stromkreise für Servos und Empfänger/FBL sind voneinander entkoppelt.
PowerBusMini jetzt günstig kaufen
Schottkydiode
PMS Base von Engel MT
PowerBUSmini
Anschluss
PowerBUSmini
PowerBUSmini Schaltungsbeipiel
Ergebnisse unseres Langzeittests
Das PowerBus Mini erfüllte unsere Erwartungen. Vielen Dank an Silverbird für die Realisierung der Messungen.
Die Messungen sind als Ergänzung zu denen von Mikado zu betrachten denn Mikado hat lediglich Induktionsspitzen der Servos simuliert. Uns interessierte zusätzlich das Verhalten bei Spannungseinbrüchen und wie in dem Fall der Pufferakku die Stromversorgung übernimmt.
Test 1
Empfänger- und Servoversorgung wurden jeweils mit einer ohmschen Last und 1 A Laststrom betrieben. Die Dauer der Spannungseinbrüche wurde bei beiden Messungen auf 100ms begrenzt.
Als Pufferakku kamen 4 Eneloop Zellen mit 1,9 Ah zum Einsatz.
Oszillator- Bilder: Kanal 1 (
dunkelblau ist die Empfänger - und Stabiversorgung) Kanal 2 (
hellblau) ist die Servoversorgung1. Messung ohne Pufferakku, Spannungseinbruch von 6 Volt auf 3 Volt => die Empfängerversorgung bricht nur um 720mV auf 4,9 Volt ein. Kommt die Versorgungsspannung unter 2,5 Volt, bricht auch die Empfängerversorgung zusammen.
2. Messung mit Pufferakku, Spannungseinbruch von 6 Volt auf 1 Volt => an der Stabiversorgung sieht man keinen Einbruch und am Servoausgang die Spannungsdifferenz zwischen BEC und Stützakku. Der Stützakku übernimmt sofort die komplette Stromversorgung.
Spannungsspitzen wirken sich nicht auf die Empfängerversorgung aus und werden in den Akku gepuffert.
Man hat mit dem R² PowerBUSmini eine konstante Stromversorgung und Redundanz, wenn das BEC ausfällt.
Test 2
Im Folgenden noch einige ergänzende Messungen mit dem PowerBusmini:
Kanal 1:
dunkelblau die Elektronikversorgung Kanal 2:
hellblau die Servoversorgung Kanal 3:
violett der Gesamtstrom Einschalten: Die Elektronikversorgung schaltet nach der Einschaltstromspitze und bleibt konstant
Stromspitze: Stromspitze auf 6 Ampere… man sieht deutlich die Einbrüche der Servoversorgung… die Elektronikversorgung bleibt konstant.
Versorgungsspannung: hier die an zwei Punkten gemessene Versorgungsspannung zur obigen Stromspitzenmessung
Der PowerBUSmini wird als Bausatz ausgeliefert. Mit etwas Löterfahrung ist das Anbringen der beiliegenden Kabel kein Problem. Wer die Möglichkeit nutzt, einen Pufferakku anzuschließen, der hat eine redundante Stromversorgung für die Elektronik und 4 Servos, die bis 60A an den Servoausgängen belastbar ist. Damit erfüllt das PowerBUSmini alle Anforderungen, die an eine RC- Stromversorgung gestellt werden. Die Abmaße und das Gewicht des PowerBUSmini sind so gering, dass es auch an einem 450er Heli verwendet werden kann. Störeinflüsse, die von den Servos herrühren, werden wirksam von der Empfangselektronik ferngehalten. Der Pufferakku übernimmt unterbrechungsfrei die Stromversorgung, falls die Speisespannung einbricht oder ausfällt.
Der PowerBUSmini ist unsere Empfehlung in Sachen "Sichere Stromversorgung" - klein, fein und preiswert.
Gesamtbeurteilung
Sehr empfehlenswert
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Was ist, wenn die Spannungsversorgung für den Empfänger, das FBL oder die Servos zusammenbricht?
Steuern und Landen ist dann nicht mehr möglich! Daher sollte man sich im Vorfeld Gedanken über die Ausführung der Spannungsversorgung machen. Im Folgenden findest Du einige Grundschaltungen. Abwandlungen sind natürlich immer möglich. Echte Sicherheit bringt nur eine redundante Spannungsversorgung - also zwei unabhängig voneinander arbeitende Systeme.
Manche Piloten haben mit Sicherheit schon Mal einen Crash mit scheinbar unbekannter Ursache gehabt. Ich könnte mir gut vorstellen, dass in einigen dieser Fälle ein kurzzeitig überlastetes BEC die Ursache gewesen sein könnte.
Warum viele Helipiloten trotzdem nur mit einer einzigen Spannungsversorgung am Heli fliegen?
Die Zeit, in denen in den Modellhelikoptern NiMH oder NiCD Akkus zur Spannungsversorgung der Elektronik eingesetzt wurden, ist längst vorbei.
Heute finden fast ausschließlich 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 natürlich die bequemste. 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 einem Helikopter der 550er bis 800er Größe sind meist leistungsstarke Servos verbaut. Die Stromaufnahme eines einzigen Servos kann schon mal kurzzeitig über 5A erreichen. Man ahnt was passiert, wenn das verbaute BEC einen kurzzeitigen Spitzenstrom von nur 10 A erlaubt, und 4 derart stromhungrige Verbraucher mal gleichzeitig so richtig belastet werden.
So ist die Spannungsversorgung am einfachsten
Für alle, die es sich nicht unnötig schwer machen wollen, empfehle ich die Verwendung eines hochwertigen BEC. Deren Ausfallrate ist sehr gering.
Das BEC sollte bei einem Heli der 600er Klasse mindestens 10-15A Dauerstrombelastung verkraften und kurzzeitig 20A oder besser noch mehr.
Ausgiebig in der Praxis getestet und für gut befunden haben wir folgende BEC:
- Western Robotics - Hercules Super BEC, 3 bis 14S Lipo, 10 A Dauerstrom, 15 A Spitze
- Western Robotics - Hercules Super BEC G2, 14S Lipo, 15A Dauerstrom, 20 A Spitze
- R² Prototyping - HV² BEC Alu, 10 bis 18S LiPo, 35A Dauerstrom, 50A Spitze (Alu- Gehäuse, aktuell stärkstes BEC auf dem Markt)
- R² Prototyping - HV² BEC Mini, 10-18S LiPo, 35A Dauerstrom, 50A Spitze (Miniversion des Alu)
Spannungsversorgung - Grundschaltung A
Im Bild zu sehen ist eine klassische Grund- Variante, 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.
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! Fällt der Flug- Akku oder das BEC aus, dann ist der Modellhubschrauber nicht mehr steuerbar.
Spannungsversorgung - Grundschaltung B
Im Bild zu sehen ist eine zweite Grund- Variante, 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.
Die Empfänger- Spannungsversorgung mit externem BEC ist hier zwar unabhängig vom Antriebsakku, bietet aber keinen wirklichen Vorteil gegenüber der Schaltung A.
Spannungsversorgung - Erweiterte Schaltung
Im Bild zu sehen ist eine Schaltung mit zwei Spannungsversorgungen.
Fällt ein BEC oder ein Akku aus, dann erfolgt die Spannungsversorgung immer noch durch das andere BEC/ Akku.
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.
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.
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.
Da wir nach dem ersten Flug schon 600mAh verbraucht haben, sind an Restkapazität noch etwa 600mAh je Akku vorhanden. Das reicht bei Ausfall eines Akkus immer noch für einen vollen weiteren Flug.
Danach sind in den Akkus noch je 300mAh vorhanden: Das würde bei Ausfall eines der beiden Akkus nicht mehr bis zur Landung reichen. Deshalb müssen beide Akkus nach dem zweiten Flug getauscht werden.
Mit einer Kapazität von 1200mAh je Akku 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.
Verwendung von Akkus mit unterschiedlicher Spannung
Man kann auch einen 2S Lipo in Kombination mit einem 4- oder 5-zelligen NiMH mit 4,8 (6.0) Volt Spannung in dieser Schaltung verwenden.
Strom wird dann im normalen Betrieb nur aus dem 2S Lipo bezogen. Das funktioniert solange, bis dessen Spannung geringer ist als die Spannung des NiMH- Akkus.
Bei 4,8 Volt Spannung wäre der Lipo aber schon beschädigt. So tief wird also im Normalfall die Spannung gar nicht sinken dürfen. Der NiMH Akku beadaf allerdings besonderer Pflege und sollte regelmäßig entladen und wieder geladen werden.
