BEC-Puffer: Notstrom mit GreenCaps

Der Albtraum eines jeden Heli-Modell-Piloten… das BEC raucht ab und der Heli beschleunigt nicht mehr steuerbar Richtung Erdkern, wobei er durch die unnachgiebige Erdoberfläche abrupt entschleunigt wird. Die dabei auftretende Energie wird in Kaltverformung umgesetzt – und dabei gilt: je größer der Heli, desto teurer wirds.

Eine bewährte Lösung ist der Einsatz eines Stützakkus für das BEC. Ein solcher Akku liefert unabhängig vom Antriebsakku immer Strom für den Empfänger und die Servos. Nachteil dieser Akkus ist, dass sie vor dem Flug aufgeladen sein sollten und ihr eigenes Gewicht mitfliegen muss.

Eine andere, etwas modernere Lösung ist der Einsatz von hochkapazitiven Kondensatoren, sogenannten GreenCaps – quasi Mini-Akkus, welche schnell geladen und wieder entladen werden können. Begrenzender Faktor ist und bleibt die Kapazität, welche aber mittlerweile Dimensionen erreicht hat, die es erlauben den Heli eine komfortable Zeit mit (Not-)Strom zu versorgen. So können zumindest der Empfänger und die Servos eine kurze Zeit mit Strom versorgt werden und der Heli bei einem Ausfall des BECs sicher zu Boden gebracht werden.

Variante 1



Ladung

Die Ladung des Puffers kann über das BEC, welches gestützt werden soll, erfolgen. Die GreenCaps können im Flug oder noch am Boden aufgeladen werden, bis sie die Spannung des BEC erreichen. Sie werden in entsprechender Stückzahl in Reihe geschaltet, damit sie zusammen der BEC-Spannung gewachsen sind – hier sind es 3 x 2,7 Volt = 8,1 Volt. Bei einer Reihenschaltung ergibt sich eine Kapazitätsverringerung; sie ist immer kleiner als die kleinste Einzelkapazität. Die Gesamtkapazität wie hier von drei in Reihe geschalteten Kondensatoren mit 25 Farad liegt bei ungefähr 8,3 Farad.

Ladestrom

Damit kein unendlich großer Strom in die entladenen bzw. leeren Kondensatoren fließen kann, wird ein Ladewiderstand benötigt, welcher den Strom begrenzt und somit glühend-heiße Bauteile und kaputte Elektronik verhindert. Je größer der Ladewiderstand, umso geringer der Ladestrom. Mehr als 2 Ampere sollte vermieden werden, denn das BEC eines Regler könnte sich fragen, warum sofort ein so hoher Strom fließt und die Regelung durcheinander bringen – schließlich weiß das BEC nicht, dass eventuell leere Kondensatoren für den Notfall geladen werden. Ein zu kleiner Ladestrom ist ebenfalls nicht sinnvoll, da in dem Fall eine zu lange Zeit benötigt wird, um die Kondensatoren zu laden. Schließlich soll direkt beim ersten Flug der Puffer zur Verfügung stehen.

Ladewiderstand

Der hier genutzte Ladewiderstand hat 10 Ohm, was bei 5,5 Volt einen maximalen Strom von 0,55 Ampere fließen lässt. Ein Widerstand setzt elektrische Energie in Wärmeeneregie um. Die Leistung, d. h. die umgesetzte (Wärme-)Energie für eine bestimmte Zeitspanne, beträgt für den Ladewiderstand ungefähr 0,55 Ampere x 5,5 Volt = 3 Watt. Je voller die Kondensatoren werden, umso mehr Widerstand erhalten sie und umso mehr Spannung fällt an ihnen ab und umso weniger Spannung fällt an dem Ladewiderstand ab. Die fortlaufend sinkenden Ströme und Spannungen bei der Ladung lassen die zu erbringende Leistung des Widerstands relativ schnell  sinken. Die Belastbarkeit drückt eine Leistung aus, die ein Widerstand dauerhaft erbringen kann. Eine längere Überschreitung der Belastbarkeit führt zur Zerstörung des Widerstands. Aus diesem Grund sollte der Ladewiderstand ausreichend groß dimensioniert sein; hier sind 2 Watt Belastbarkeit für den Ladewiderstand in Ordnung, denn ein Widerstand kann kurzzeitig ein Vielfaches seiner maximalen Belastbarkeit aushalten.

Ladezeit

Die Zeitkonstante tau ist das Produkt aus Kapazität und Widerstand – in diesem Fall also 8,3 Farad x 10 Ohm = 83 Sekunden. Nach einer Dauer von 3 x tau, also ungefähr 250 Sekunden bzw. etwas mehr als 4 Minuten ist der Kondensator zu 95% geladen. Bei 5 x tau gilt ein Kondensator als voll geladen.

Die drei Widerstände spielen eine untergeordnete Rolle. Sie dienen lediglich als Spannungsteiler, damit die Ladespannung in jedem Fall gleichmäßig auf die Kondensatoren aufgeteilt wird. Zusätzlich stellen sie kleine Verbraucher dar, welche die Kondensatoren mit einem geringen Strom über mehrere Stunden entladen, wenn diese nicht genutzt werden. Diese Widerstände sollten alle möglichst gleich und deutlich größer als der Ladewiderstand sein, da diese sich sonst einen merklichen Teil der Spannung abgreifen und damit die Ladespannung für die Kondensatoren reduziert wird.



Notstrom

Bei Bedarf müssen ide geladenen GreenCaps ihre Ladung möglichst ungehindert wieder abgeben können. Damit diese das nicht in umgekehrter Richtung über den Ladewiderstand machen müssen, wodurch wertvolle Spannung an den Ladewiderstand verschenkt werden würde, geschieht das mit einer Freilaufdiode vom Typ Schottky. Diese überbrückt sozusagen den Ladewiderstand in Entladerichtung. Es geht dennoch etwas Spannung (ca. 0,4 Volt) an der Diode verloren, was aber bei einer derart einfachen Schaltung verschmerzt werden kann.

Die größten Stromverbraucher sind bei einem Heli, mal den Antrieb ausgenommen, die Servos. Der Strombedarf von Empfänger, Kreisel oder Flybarless-System ist im Gegensatz zu den Servos vernachlässigbar klein. Je nach Größe des Helis und damit der Anzahl, Art und Größe der Servos ist der Stromverbrauch höchst unterschiedlich.

Bei einem Align T-Rex 800 E mit HV-Servos an der Taumelscheibe ist bei gleichzeitiger Bewegung der Servos mit diesem BEC-Puffer nach weniger als 10 Sekunden eine Spannung erreicht, welche die Servos unkontrollierbar in den Endanschlag fahren lassen – wohlbemerkt nicht fliegend, sondern auf dem Boden stehend. Unter Last ist dies nur eine Frage von wenigen Sekunden. Im Regelfall reicht diese kleine Reserve bis zu der kritischen Spannung aber für eine Autorotation aus – sogar für den großen T-Rex 800. Abhilfe können hier größere Kondensatoren schaffen, allerdings sollten die dann mit mehr Ladestrom geladen werden, damit sie irgendwann mal voll sind.

Bei einem konstanten Strom von 2 Ampere ist bei mit 5,5 Volt voll geladenen Kondensatoren nach 6 Sekunden mit diesem BEC-Puffer eine Spannung von 3,6 Volt erreicht, was dann den Kontrollverlust eines Helis einleiten würde.

Daumenregel für die Dimensionierung der Kondensatoren für einen BEC-Puffer bei Helis:
Es muss gelten: [ Heli-Klasse ] < [ Kapazität eines einzelnen Kondenstors ] x 20
Beispiel: Passen GreenCaps mit 25 F für einen T-Rex 450? Ja, denn 450 < 25 x 20 bzw. 450 ist kleiner als 500.

Anwendungshinweis

Dieser BEC-Puffer ist die einfachste Variante eine Ersatzstromquelle mit wenig Gewicht herzustellen. Allerdings kauft man sich einige Nachteile ein, welche unbedingt beachtet werden sollten vor dem Einsatz eines solchen BEC-Puffers:

  • mehr Verkabelung bedeutet mehr potentielle Fehlerquellen
  • die Puffer-Schaltung wird nach und nach leer gesaugt, was speziell bei komplizierter Regelungselektronik und den Einsatz von Mikrocontrollern und zu ungewolltem Verhalten („burn-out-detection“) führen kann
  • einige Servos fahren in den Endschlag bei Erreichen einer kritischen Spannung, was im Extremfall auch am Boden zu ungewollten Effekten führen kann
  • einige Regler kommutieren über das BEC und saugen den Puffer sehr schnell leer – der Einsatz einer ausreichend dimensionierten Schottky-Diode in der Plus-Leitung des BEC schafft hier Abhilfe, wobei dann die BEC-Spannung um ca. 0,5 V über den gewünschten Wert gestellt werden sollte

Variante 2



Der bereits vorgestellte BEC-Puffer mit einem Ladewiderstand und einer Diode ist sehr einfach aufzubauen und bietet damit eine sehr fehlerunanfällige Notstrom-Versorgung. Die einfache Schaltung hat allerdings auch gravierende Nachteile.

An der Diode fällt verhältnismäßig viel Spannung ab, wodurch letztlich die Zeit für die Notstrom-Versorgung reduziert wird. Ein weiterer und vielleicht noch größerer Nachteil ist, dass es keine definierte Spannung gibt, bei welcher die Versorgung unterbrochen wird. Vielleicht hört sich das komisch an im ersten Moment, aber es ist sinnvoll vor einer kritischen Spannung die Versorgung zu kappen, damit die Komponenten stets kontrollierbar sind und nicht einfach irgendetwas unvorhersehbares machen. Diese kritische Spannung liegt typischerweise bei ca. 3,6 Volt. Eine automatische Unterbrechung macht vor allem auch das Handling des Modells am Boden komfortabler, da die Komponenten definiert abgeschaltet werden und nicht den BEC-Puffer so lange es geht als Stromversorgung nutzen.

Eleganter wäre es, wenn die GreenCaps nur bis zu einer bestimmten Ausschalt-Spannung entladen werden (z. B. 3,9 Volt) und die Stromzufuhr dann unterbrochen wird. Ein erneuter Stromfluss soll erst wieder möglich sein, wenn die Versorgungsspannung weit über der Ausschalt-Spannung liegt (z. B. 4,7 Volt), um ständige An- und Ausschaltvorgänge nahe der Ausschalt-Spannung (Oszillation) zu vermeiden und zu gewährleisten, dass nur dann Strom geliefert wird, wenn die GreenCaps auch eine ausreichende Spannung haben.

MOSFET

Ein MOSFET (n-Kanal-Feldeffekttransistor) dient als Strombegrenzung beim Ladevorgang der GreenCaps und in die andere Richtung als „bessere Diode“ mit einem möglichst geringen Durchgangswiderstand, wodurch nur ein sehr geringer Teil der Spannung als Schaltverlust am MOSFET abfällt. Feldeffekttransistoren kann man sich prinzipiell als spannungsgeregelte Schalter vorstellen, welche ab einer bestimmten Spannung niederohmig werden und Strom fast ungehindert fließen lassen können. Für die Notstrom-Schaltung können so ziemlich alle ausreichend dimensionierten MOSFETs mit Logic-Level Gate (z. B. IRLZx4N), welche schon ab ca. 2,5 Volt voll durchschalten, genutzt werden.

Der maximale Strom, welcher durch den MOSFET fließen kann, muss unbedingt mittels der Gate-Spannung festgelegt werden. Bei komplett entleerten Kondensatoren können sonst extrem hohe Anfangsströme als Ladestrom auftreten, welcher für ein BEC tötlich sein kann. Der hier verwendete IRLZ44N kann bei einer Gate-Spannung von 2,5 Volt und 25 °C Temperatur maximal 3 Ampere von der Source zum Drain ließen lassen – bei 3,0 Volt am Gate sind es bereits knapp 20 Ampere! Eine Alternative ist der IRLZ34N, welcher bei 2,5 Volt am Gate „nur“ 1 Ampere und bei 3,0 Volt ungefähr 5 Ampere fließen lässt.

Spannungsreferenz und Spannungsteiler

Eine Referenzspannung von 2,5 Volt wird von einer Diode (LM385Z-2,5) mit einem Vorwiderstand erzeugt. An ihr fallen unabhängig von der Versorgungsspannung stets 2,5 Volt ab. Die weitere Spannung wird über einen einfachen Spannungsteiler mit zwei Widerständen im Verhältnis 1 zu 2, z. B. 15,0 kOhm und 8,2 kOhm, erzeugt. An dem größeren Widerstand des Spannungsteilers fallen bei einer Versorgungsspannung von 6,0 Volt entsprechend 3,9 Volt, bei 5,0 Volt dann 3,2 Volt und schließlich bei 3,9 Volt nur noch 2,5 Volt, was der Referenzspannung entspricht, ab.

Operationsverstärker als Komparator

Der Spannungsabfall im Spannungsteiler (zwei Widerstände) und die Referenzspannung (Vorwiderstand und Diode) wird mit einem Operationsverstärker (z. B. LM358) verglichen. Solange der Spannungsabfall im Spannungsteiler größer ist als die Referenzspannung soll das Gate des MOSFET vom Operationsverstärker angesteuert werden, wodurch Strom aus oder in die Kondensatoren fließen kann. Sobald die Spannung im Spannungsteiler unter die Referenzspannung fällt schaltet der Operationsverstärker nicht mehr durch, wodurch das Gate des MOSFET wird nicht mehr angesteuert und der Laststrom unterbrochen wird.

Schmitt-Trigger

Ein Schmitt-Trigger ist im Prinzip ein Schalter, welcher auf zwei Spannungen reagiert. Bei Unterschreiten einer bestimmten Spannung A wird ausgeschaltet und erst bei Erreichen einer bestimmten Spannung B wird wieder eingeschaltet. Der Unterschied zwischen Spannung A und B, die sogenannte Hysterese, verhindert in diesem Fall für die Bauteile schädliche Oszillation, d. h. schnelle und sich häufig abwechselnde Ein- und Ausschaltvorgänge nahe der Ausschalt-Spannung, welche bei Lastwechsel und den daraus resultierenden Spannungsschwankungen auftreten können.

Der Schmitt-Trigger wird durch einen weiteren Widerstand am Operationsverstärker realisiert, welcher den Ausgang und den Eingang des Operationsverstärkers mit dem Spannungsteiler koppelt. Je größerer dieser Widerstand ist, umso kleiner ist die Breite der Hysterese. Für diese Anwendung wird eine Hysteresebreite von ca. 0,8 Volt genutzt. Der genaue Wert des Widerstands für die Hysterese ergibt sich aus dem Verhältnis des Widerstands zu den Widerständen des Spannungsteilers (in diesem Fall 20 kOhm für 0,8 Volt).

Bei Unterschreiten der Ausschalt-Spannung von 3,9 Volt wird das Gate des MOSFET nicht mehr angesteuert, wodurch dieser sperrt und kein Strom mehr fließen kann – der elektronische „AUS“-Schalter. Erst bei Erreichen von 3,9 Volt + 0,8 Volt = 4,7 Volt steuert der Operationsverstärker das Gate wieder an und reaktiviert damit die Puffer-Schaltung – der elektronische „EIN“-Schalter.

Anwendungshinweis

Diese Puffer-Schaltung kann prinzipiell in jedem Modell eingesetzt werden. Bei Verwendung eines getakteten BEC (heutzutage werden diese fast ausschließlich genutzt) muss dieses von der Puffer-Schaltung entkoppelt werden.

Eine Entkopplung kann mit einer ausreichend dimensionierten Schottky-Diode (z. B. SB 830) in der Plus-Leitung des BEC-Kabels zum Empfänger erfolgen. Der Spannungsabfall an der Diode (ungefähr 0,4 Volt) muss berücksichtigt werden, d. h. das BEC muss etwas mehr als die gewünschte Spannung liefern. Wird die Puffer-Schaltung entfernt, muss auch die Schottky-Diode entfernt werden, da sonst Rückströme und Spannungsspitzen (wesentlich erzeugt durch die Servos) nicht mehr in die Kondensatoren des Reglers abfließen können. Alle angeschlossenen elektronischen Komponenten (z. B. das BEC, die Servos, der Kreisel oder das FBL-System) können darunter leiden, was sich in Störungen, Ausfall oder im Extremfall in einem Defekt bemerkbar machen kann.

 


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