Elektrik am Modellhelikopter
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
Hinzu kommen optionale Elektrobauteile wie z. Bsp.
- Beleuchtung,
- Telemetrie- Systeme
- ...
Spannungsversorgung der elektronischen Komponenten
Alle elektronischen Komponenten am Heli, wie der Empfänger, das FBL- System oder der Gyro, die Servos, ja selbst der Flugregler benötigen eine elektrische Spannung um arbeiten zu können. Diese Betriebsspannung wurde früher direkt aus Akkus bezogen, doch heute bedient man sich meist anderer Methoden.
Längst Einzug gehalten haben die sogenannten BEC, ein elektronischer Baustein, der eine geregelte Gleichspannung am Ausgang zur Verfügung stellt. Aber auch ein BEC muss seine Betriebsspannung aus einem Akku beziehen. Der Einfachheit halber wird das BEC meist direkt am Flugakku mit angeschlossen. So spart man den zweiten Akku. Doch längst nicht alle BEC sind dafür geeignet.
Mehr zu BEC gibt es im Kapitel
BEC- (Battery Elimination Cirquit) Spannungsversorgung
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- Technik.
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)
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, (gleiche Daten wie das Alu / 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 bedarf allerdings besonderer Pflege und sollte regelmäßig entladen und wieder geladen werden.
