Grundlagen zu RC-Stromversorgungssystemen

Einführung

Funkgesteuerte (RC) Bordstromsysteme waren früher recht einfach und bestanden nur aus einem Empfänger und einigen Servos, die von einem NiCad-Akku gespeist wurden. Seitdem haben sich die RC-Systeme mit der Einführung von elektrischen Antriebsmotoren und anderen Leistungsanforderungen stark verändert. Dieser Blog erklärt die Terminologie und die Komponenten, die in modernen RC-Anlagen verwendet werden, und wie diese Komponenten üblicherweise konfiguriert werden.

Der Empfänger

RC-Empfänger (RX) dienen zwei Zwecken. Die erste besteht darin, die Signale des Senders zu interpretieren und die Daten an den richtigen Kanal weiterzuleiten. Die zweite Aufgabe ist die Bereitstellung einer Stromschiene, die Strom und Spannung an die verschiedenen Servos oder andere Peripheriegeräte liefert, die die Servokanäle belegen. Der RX benötigt eine konstante Versorgung von 4,8 bis 6 VDC, um seine Steuerungsaufgaben zu erfüllen (Abbildung 1). Wenn das RC-Modell von einem Nitromethan- oder Gasmotor angetrieben wird, genügt ein NiCad- oder NiMH-Akku, der den Empfänger mit Spannung versorgen kann. In einigen Fällen haben RC-Fahrzeuge mit Benzinmotoren eine separate Batterie für die Zündanlage.

Abbildung 1: Layout des RC-Empfängers. (Bildquelle: Don Johanneck)

Elektrische Antriebsmotoren

Die Einführung von Elektromotoren für den Antrieb eines Modells erfordert leistungsstärkere Batterien und ein unabhängiges Drehzahlregelungssystem. Die Motorsteuerung nimmt das Drehzahlsignal vom RX und übersetzt es in den Spannungsbereich der Batterie, um dem Motor alles zu geben, was er braucht. Um den Strombedarf des RX zu decken, verfügen einige Motorsteuerungen über einen speziellen und geregelten 5-Volt-Ausgang nur für den RX, der als Batterie-Eliminierungsschaltung (BEC) bezeichnet wird. Dadurch kann die Installation von zwei Batterien vermieden werden. Einen für den Motor und einen für den RX. Eine unabhängige BEC, die direkt mit dem Akku verbunden ist, kann ebenfalls installiert werden, wenn der Controller kein BEC hat oder sein 5V-Ausgang nicht genügend Strom liefert.

Bürsten- oder bürstenloser Motor?

Gleichstrom-Bürstenmotoren für den Antrieb von RC-Flugzeugen gab es nur für eine kurze Zeit und wurden schnell durch bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) ersetzt. Der Regler für Motoren wird als elektronischer Drehzahlregler oder ESC bezeichnet. ESCs werden nach der Ausgangsleistung und der Fähigkeit, eine Vielzahl von LiPo-Akkus, die den RC-Akku-Markt aufgrund ihrer hohen Kapazität übernommen haben, zu handhaben, bewertet. Die meisten ESCs haben, wie bereits erwähnt, eine BEC, manche aber auch nicht. Der Begriff BEC bezieht sich normalerweise auf eine linear geregelte Schaltung, die ineffizient ist und Wärme erzeugt. Dies führte zur Entwicklung des uBEC, eines effizienteren, schaltenden Spannungsreglers.

Abbildung 2: RC-Stromversorgungs- und Steuerungssystem. (Bildquelle: Don Johanneck)

Während Bürstenmotoren einfach nach Eingangsspannung und Stromaufnahme bewertet werden, wird der populärere bürstenlose Motor in Kv bewertet, was im Grunde genommen die Drehzahl (U/min) pro Volt angibt. Wenn ein bürstenloser Motor auf 850 Kv ausgelegt ist, dreht er 850 Umdrehungen/min pro angelegtem Volt. Ein 4S-LiPo-Akku liefert etwa 14,8 Volt, die den 850-Kv-Motor bei maximalem Akkustrom und ohne Last an der Motorabtriebswelle mit 12.580 U/min drehen. Der ESC regelt die Spannung so, dass der gesamte Drehzahlbereich proportional zur Stellung des Gashebels am Sender (TX) gesteuert werden kann.

Die Bestimmung der potenziellen Stromaufnahme eines bürstenlosen Motors erfordert ein wenig unscharfe Mathematik. Nimmt man das Gewicht des Motors in Gramm und multipliziert es mit dem Faktor 3,5, erhält man die ungefähre maximale Leistung in W. Nehmen wir an, der 850Kv-Motor wiegt 174 g. Dieser Motor kann etwa 600 Watt Leistung verbrauchen. Da die Wattzahl das Produkt aus Spannung und Stromstärke ist, teilen Sie die Leistung durch die angelegte Spannung, um die ungefähre Stromaufnahme zu erhalten, die bei voller Drehzahl etwa 41 Ampere beträgt.

Im Allgemeinen wird ein RC-Anwender nicht für die Dauer eines Fluges oder einer Fahrt Vollgas geben, aber wenn doch, kann ein 6500-mAh-Akku einen 850Kv-Motor etwa 9,5 Minuten lang bei Volllast betreiben (6500 mAh/41000 mA = 0,1585 Stunden).

LiPo-Batterien

Die Begriffe LiPoly, Lithium-Polymer oder „LiPo“ beziehen sich auf denselben Typ von Hochleistungsakkus. Sie werden je nach den Möglichkeiten des Reglers und den Anforderungen des Motors ausgewählt. Die meisten LiPo-Akkus enthalten diese Informationen auf dem Akku-Etikett, das die Anzahl der Zellen, die Amperestundenzahl und die Entladungsrate angibt. Die Nennspannung korreliert direkt mit der Anzahl der Zellen. Da jede LiPo-Zelle eine Nennspannung von 3,7 Volt liefert, bezieht sich der „S“- oder Serienwert darauf, wie viele Zellen in Serie den Akkupack bilden. Ein 2S-Pack liefert 7,4 Volt, ein 3S-Pack 11,1 Volt und so weiter. Die Amperestundenzahl wird verwendet, um festzustellen, wie lange der Akku bei einem bekannten Stromverbrauch Strom liefern kann. DigiKey bietet ein nützliches Tool zur Berechnung der Batterielebensdauer anhand der Stromaufnahme (Abbildung 3).

Abbildung 3: Geschätzte Flugzeit - Kalkulator von DigiKey für die Batterielebensdauer. (Bildquelle: DigiKey)

Die „C“-Bewertung beschreibt die maximale Stromabgabe des Akkus, die nicht zu einer Beschädigung der Zellen führt. Multiplizieren Sie einfach die „C“-Bewertung mit der Kapazität in Ampere. Ein Akku mit den Angaben 15C, 3200 mAh kann einen maximalen Strom von 48 Ampere liefern. Die „C“-Einstufung ist auch für die Bestimmung der Ladegeschwindigkeit nützlich (Abbildung 4). Das ordnungsgemäße Laden eines LiPo-Akkus erfordert Disziplin, um Zellschäden und die Gefahr von Bränden durch Überladung oder physisch beschädigte Zellen zu vermeiden. Verwenden Sie immer ein Ladegerät mit einstellbaren Ladegeschwindigkeiten, Ausgleichsverbindungen und, falls verfügbar, einem Sensor zur Überwachung der Akkutemperatur. Ein „aufgeblähter“ Akku oder Akkus mit sichtbaren Zellschäden sollten ordnungsgemäß entsorgt werden, um eine Verbrennung oder Explosion während des Ladevorgangs zu verhindern. Es ist üblich, eine 1C-Laderate zu wählen, die durch Umrechnung der mAh-Zahl in Ampere und Laden mit dieser Rate berechnet wird. Der bereits erwähnte 3200-mAh-Akku wird mit maximal 3,2 Ampere (1C) geladen. Die Ausgleichsverbindung stellt sicher, dass der Akku gleichmäßig geladen wird, und ermöglicht es dem Benutzer, jede Zelle mit einem speziellen Messgerät zu überwachen, das direkt an der Ausgleichsverbindung angebracht wird.

Abbildung 4: Geschätzte Ladezeit - Kalkulator von DigiKey für die Batterielebensdauer. (Bildquelle: DigiKey)

Achten Sie darauf, dass Sie einen Akku nicht unter 3,7 Volt pro Zelle entladen. Eine anhaltende Entladung unter diesen Wert kann die Lebensdauer der Batterie verkürzen und die Kapazität verringern.

Ein durch Überladung oder physische Beschädigung stark beschädigter Akku kann über seine Schutzverpackung hinaus aufplatzen. Versuchen Sie nicht, einen so beschädigten Akku aufzuladen. In diesem Zustandt sind sie unbeständig und unberechenbar. Aus Sicherheitsgründen müssen LiPo-Akkus neutralisiert und recycelt werden, wenn sie nicht mehr verwendet werden können.

Zusammenfassung

RC-Stromversorgungssysteme können einfach und preiswert sein oder mehrere hundert Dollar kosten. In jedem Fall kann die Lebensdauer des Stromnetzes durch ordnungsgemäße Zusammenschaltung und sorgfältige Überwachung der Batterien verlängert werden. Das Stromversorgungssystem hat in der Regel eine Lebensdauer von vielen Jahren oder sogar Jahrzehnten. Richtig gepflegte Batterien können einige Zeit halten, müssen aber aufgrund der ständigen schnellen Entladung, die mit RC-Fahrzeugen verbunden ist, oft ausgetauscht werden. Das sollte Sie aber nicht davon abhalten, viel Spaß mit Ihrem funkferngesteuerten Spielzeug zu haben!