1 Lipo auf 5 Volt mit Step-Up Regler als Empfängerstromversorgung?

[Pano]

Hallo,

in F3B-/F-/J-Modellen ist ja das Thema Empfängerstromversorgung nicht immer ganz einfach zu lösen, da oftmals die Rümpfe sehr schmal sind. Ist es nicht auch möglich einfach einen einzelligen Lipo / LiIo oder LiFe-Akku zu nehmen und die Spannung mit einem Step-Up Regler auf 5 Volt zu erhöhen?

Ich hatte nach Step-Up Reglern bei google gesucht und wurde auch fündig, jedoch meist nur bis 3 Ampere Leistung. Die meisten Segler haben jedoch 6 Digitalservos verbaut, welche je nach Servo zwischen 1000 und 1200 mAh pro Servo max. ziehen, das wären dann ca. 6 Ampere bei maximaler Belastung. Dies tritt eigentlich nur sehr selten auf, die meisten benötigen in einer Stunde Flugzeit zwischen 400 und 800 mAh je nach Einsatzzweck. Da jedoch die Anlaufströme der Servos für ganz kurze Zeit noch höher sein können ist ein Sicherheitspuffer bestimmt nicht schlecht.

Kennt jemand geeignete Step-Up Regler?
Wie störanfällig könnte dieses Versorgungssystem mit Step-up Regler sein?
Bereits gemachte Erfahrungen?
Wie würde der Verbrauch pro Stunde steigen, wenn eine Lipo-Zelle 5 Volt leisten müsste?

Da ich selbst kein Elektroexperte bin würde ich mich sehr über Anregungen freuen.

Danke vorab und schöne Grüße,

Pano

 

[st_canoe]

Hi Pano,

einen Teil Deiner Fragen kann ich Dir vielleicht beantworten.

Die Störanfälligkeit eines StepUp Reglers ist nicht höher wie die eines StepDown Schaltreglers, vorausgesetzt er ist ausreichend leistungsstark Dimensioniert. Bei den von Dir erwarteten 6A Spitzenleistung würde ich den Regler auf jeden Fall auf 8A Spitzenstrom dimensionieren. Im Zeitalter der 2,4GHz wird da oft zu wenig drauf geschaut. Leider habe ich bisher wenig über geloggte Ströme der kompletten Empfangsanlage gelesen, z.B. beim Hochstart, um genauere Aussagen über die tatsächlich anfallenden Ströme treffen zu können.

Zu dem Wandler und den Wirkungsgraden: Bei einem StepUp Regler kannst Du mit einem Wirkungsgrad von maximal 80% rechnen. In Datenblättern lese ich auch schon mal 90%, aber im richtigen Leben ist es leider immer weniger. Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades lautet "Wirkungsgrad= P(abgenommen)/P(zugeführt)". Umgestellt ergibt sich dann P(zugeführt)=P(abgenommen)/Wirkungsgrad. Wenn man jetzt von einer Spitzenleistung von 5V/8A = 40W ausgeht müssten von der einen Akkuzelle 50W geliefert werden können. Das entspricht bei einem Lipo 3,7V und 13A. Das gilt natürlich nur für den kurzzeitigen, angenommen Stromimpuls. Der Dauerstrom liegt sicher um eine Größenordnung niedriger. Das sollte kein Problem darstellen.

Die dem Akku entnommene Kapazität liegt somit um den Wirkungsgrad höher. D.h. aus 800mAh werden 1000mAh.

Wenn Du von 800mAh entnommener Kapazität pro Stunde sprichst fließt ein durchschnittlicher Strom von 800mA bei 5V, was eine Leistung von 4W ergibt. Den Wirkungsgrad eingerechnet müsste die eine Zelle im Schnitt 5W liefern, verloren wären 1W , die in Wärme umgesetzt werden. Das sind keine thermischen Probleme zu erwarten, auch wenn die Leistungen kurzzeitig höher sind. Allerdings immer vorausgesetzt der Wirkungsgrad liegt bei 80%.

Jetzt stellt sich nur die Frage, ob der leistungsstarke Regler dann größer und schwerer als die eingesparte Zelle ist? Ich bin an diesem Thema auch schon eine ganze Zeit dran und noch zu keinem wirklichen Ergebnis gekommen. Mir persönlich wäre es liebsten, wenn die komplette Bordelektronik mit einer Zelle auskommen könnte. Das praktiziere ich bei vielen kleinen Modellen bereits, nur bei den größeren kommen immer noch 4xNiMh zum Einsatz...

Aber vielleicht meldet sich ja noch jemand mit praktischen Erfahrungen.

Grüße, steve

 

[st_canoe]

Hallo,

gerade lese ich dieses von GI:

Bitte auch die gleichzeitige Kanalausgabe beachten, siehe Link. Hier können schnell mal Servoströme von weit über 20 A zusammen kommen, je nach Servos? (Blockierstrom x Servoanzahl)

Wenn also Deine 6 Digitalservos durch einen entsprechenden Empfänger alle gleichzeitig angesteuert werden benötigst Du die Spitzenleistung von 8A auf jeden Fall. Eher mehr, nur um sicher zu gehen. Das gilt natürlich auch für StepDown Regler...

Grüße, steve

 

[KurtHarders]

Hallo Steve,

Jetzt stellt sich nur die Frage, ob der leistungsstarke Regler dann größer und schwerer als die eingesparte Zelle ist? Ich bin an diesem Thema auch schon eine ganze Zeit dran und noch zu keinem wirklichen Ergebnis gekommen. Mir persönlich wäre es liebsten, wenn die komplette Bordelektronik mit einer Zelle auskommen könnte. Das praktiziere ich bei vielen kleinen Modellen bereits, nur bei den größeren kommen immer noch 4xNiMh zum Einsatz...

Wenn man die Empfangsanlage mit 2S betreibt, braucht man halt einen StepDown-Regler. Nachdem mir an anderer Stelle klar gemacht wurde, dass direkt 2S, und eigentlich auch 4xNiMH, wegen der Spannungsänderungen zu Veränderungen der Nulllage von Servos führen können, würde ich also immer einen Regler einsetzen. Dann kann man auch gleich einen StepUp-Regler verwenden. Ich werde mal einen Freund mit mehr Erfahrung im Bereich Schaltregler interviewen . Näheres dann hier.
Grüße, Kurt

 

[Rene Mark]

Mir persönlich wäre es liebsten, wenn die komplette Bordelektronik mit einer Zelle auskommen könnte. Grüße, steve

Hi Steve

Die Idee dahinter ist wirklich nicht schlecht.

Ich sehe allerdings ein gravierendes Problem dabei.

Bei 4 oder 5 Zellen NIxx oder 2s Lixx habe ich immer noch die Möglichkeit, bei Ausfall einer einzelnen Zelle, notlanden zu können.
Bei Telemetrie bekomme ich es angesagt oder ohne Telemetrie merke ich das die Servos mein Modell nicht mehr so flott bewegen wie es vorher war.

Bei einer Einzelnen Zelle ist da wohl nix mehr zu machen.

Wenn die Servos allerdings HV tauglich sind dann wird das sicherlich auch der Sicherheit dienen.
Alle HV Servos die ich bis jetzt in den Fingern hatte konnten immer noch mit einer einzelnen Lixx Zelle gesteuert werden, nicht wirklich schnell (ok muss man zugeben) aber sie haben funktioniert und ein Notlanden ist damit durchaus möglich.

Zum Gewichts
Die Lixx Becherzellen die ich momentan favorisiere haben 44,5g pro Zelle also nicht mal 90g gesamt + Spannungsregler 11gr
4x Nixx im Durchschnitt 28gr pro Zelle sind dort schon mal 112gr

Damit lässt sich doch schon mal was anfangen.

Auch der Platzbedarf ist bei 2 Lixx Zellen wesentlich geringer, als bei 4 oder 5 x Nixx AA Zellen.

Gruß Rene

 

[Pano]

Mir persönlich ist bis jetzt (toi toi toi) noch keine Lipo- oder auch LiIo-Zelle ausgefallen. In Bezug auf das Gewicht wäre die Lösung mit einer LiIo-Zelle mit StepUp-Regler für F3J-Modelle schon verlockend. Zellengewicht 45 Gramm plus Regler 15 Gramm, das wären dann gerade mal 60 Gramm, mit sehr wenig Platzbedarf, was für F3B/F-Modelle auch nicht schlecht wäre. Ein StepUp-Regler mit 3 Amp. Dauerleistung wiegt gerade mal 3 Gramm, das ganze mal 3 ist 9 Gramm plus 6 Gramm Kabel oder Planungspuffer.

Jedoch könnte eine Zelle problematisch sein, wenn die Spannung einbricht, bei einigen Reglern mit 3 Ampere steht dabei, dass sie sich abschalten, wenn die Spannung der Zelle unter 2,7 Volt fällt. Was das dann genau bedeuted, weiss ich nicht, d.h. werden dann noch die 2,7 Volt durchgeleitet oder gar nichts mehr?

Hochvoltservos sind natürlich auch eine Lösung die Sache zu vereinfachen, doch sind mir als schmale Flächenservos bis jetzt nur die JR DS 179HV bekannt, die mir persönlich wegen ihrem dauernden Brummen in der Fläche nicht sehr gut gefallen.

Ich persönlich würde einen StepUp-Regler schon mal ausprobieren, der müsste jedoch fertig konvektioniert angeboten werden, selbst könnte ich so etwas nicht basteln.

Schöne Grüße,

Pano

 

[Rene Mark]

Hi Pano

Mir persönlich ist bis jetzt (toi toi toi) noch keine Lipo- oder auch LiIo-Zelle ausgefallen.

Eine Lixx Becherzelle ist mir bis jetzt auch noch nicht ausgefallen, aber ich möchte es nicht ausschließen das es niemals vorkommen könnte.
Einzelne Lipo Tüten sind mir allerdings schon ausgefallen.

Jedoch könnte eine Zelle problematisch sein, wenn die Spannung einbricht, bei einigen Reglern mit 3 Ampere steht dabei, dass sie sich abschalten, wenn die Spannung der Zelle unter 2,7 Volt fällt. Was das dann genau bedeuted, weiss ich nicht, d.h. werden dann noch die 2,7 Volt durchgeleitet oder gar nichts mehr?

Das Eigentliche Problem ist dabei nicht der Regler sondern der Empfänger.
Mir sind bis jetzt nur die HoTT Empfänger bekannt die noch bei 2,5V arbeiten.

Gruß Rene

 

[Pano]

INFO

INFO

Kurze Info,

ich hatte zwischenzeitlich mit Helitron telefoniert, ob sie mir einen Step-Up Regler mit 6-8 Amp. Dauerleistung basteln können. Dort wurde mir davon abgeraten, da sie selbst bei Tests schon gemerkt hatten, dass der Regler starke Störungen für den Empfänger hervorruft und das auch bei 2,4 GHz.

Schöne Grüße,

Pano

 

[Sushi]

Es tut mir leid das sagen zu müssen, aber dann können die genausowenig einen Abwärtswandler bauen. Es werden bei beiden Topologien die gleichen Bauteile verwendet, nur anders angeordnet, die Taktfrequenzen sind auch die gleichen. Wenn denen der Hochsetzsteller dazwischen funkt, würde dies ein analog dazu aufgebauter Tiefsetzsteller auch tun. Ich sehe keinen Grund gegen den Aufwärtswandler. Achten sollte man darauf dass ein Hochsetzsteller nicht ohne Mindestlast betrieben werden darf, da sonst die Ausgangsspannung sehr stark ansteigt. Da ein solcher Steller, wie er hier Verwendung finden würde, aber eh spannungsgeregelt wäre, würde dieser ohne Last abschalten. Zur Spannungsglättung sind, wie bei Step-Down-Reglern auch, Low-ESR-Elektrolytkondensatoren angebracht. Die Welligkeit der Spannung hängt nur von der Größe dieses Kondensators ab.
Ohne das Leistungselektronik-Labor bei uns an der Fh, wo die erfahrenen Leute sitzen, würde ich so ein Ding aber auch nicht bauen wollen. Gerade beim Layout der Leiterplatte kann man sich böse Fehler einfangen. Ich habe schon den ein oder anderen Tiefsetzsteller aufgebaut und da ist das genau so, man baut sich bei den für hohe Wirkungsgerade nötigen Frequenzen (~300kHz, bei einem Projekt war es 1 Mhz) schnell parasitäre Schwingkreise mit ein. Die können dann durchaus mal einen Mosfet zerstören, führen zu Spannungsüberhöhungen, oder können auch mal im Bereich von 2,4Ghz liegen. Niederfrequentere Schwingungen, die z.B. durch das Zusammenspiel der Ausgangskapazität des schaltenden Mosfets und der eingesetzten Spule entstehen, kann man sogenannte Entlastungsnetzwerke(Snubber) hinzufügen, wodurch, bei richtiger Auslegung versteht sich, die Schwingung kritisch gedämpft wird(d.h. nur der erste Peak der Schwingung tritt noch auf). Die hochfrequenten Schwingungen entstehen durch parasitär-Induktivitäten und -Kapazitäten im PLatinenlayout und müssen hingenommen werden. Man kann sie durch Änderung des Layouts in andere Frequenzbereiche verschieben.

Das war nur mal ein kleiner schnell zusammengeschriebener Ausflug, ich hoffe ihr könnt mir verzeihen. Ursprünglich wollte ich nur sagen: Die gleichen Querelen, die man bei der Entwicklung eines Aufwärtswandlers hat, hat man beim Abwärtswandler auch.

LG, Björn

PS: Was mir noch einfällt, die Ausgangsspannung muss leicht schwanken(mit der Schaltfrequenz), sonst gäbe es keine Regelabweichung und somit nichts auszuregeln. Die allermeisten ICs, die für solche Wandler gedacht sind, sind ordinäre Zweipunktregler(dafür aber meist Strom- und Spannungsregler kaskadiert).

 

[Franz Zier]

Gibt es nun nicht schon Empfänger und Servos welche direkt mit 2S Lipos oder Lifes betrieben werden können. Somit entfällt das ganze runter oder raufregeln. Man hat da auch eine Fehlerquelle weniger mit an Bord. Ausserdem wird auch Weniger Raum für den beansprucht.

Franz

 

[BOcnc]

Hallo,

Wenn also Deine 6 Digitalservos durch einen entsprechenden Empfänger alle gleichzeitig angesteuert werden benötigst Du die Spitzenleistung von 8A auf jeden Fall. Eher mehr, nur um sicher zu gehen. Das gilt natürlich auch für StepDown Regler...

Grüße, steve

Ob die Servos gleichzeitig oder versetzt angesteuert werden spielt keine rolle. Der Strom fließt so lange bie die Position erreicht ist. Das dauert in der regel länger als eine Pulsbreite.

 

[HFK]

Ob die Servos gleichzeitig oder versetzt angesteuert werden spielt keine rolle. Der Strom fließt so lange bie die Position erreicht ist. Das dauert in der regel länger als eine Pulsbreite.

Nein und nochmals nein! Weil:

1. der (gleichzeitige) Anlaufstrom von Interesse ist und der ist
2. praktisch gleich dem Kurzschlussstrom (wenige ms).
3. Der Anlaufstrom ist um ein vielfaches höher als der Strom des drehenden Motors.

Vorgestern ist hier genau aus diesem Grund ein inzwischen auf 2G4 umgerüstetes Modell mit etwas schwachem Akku (bei 2A = ~4,5V) runter gefallen der es mit 35 Mhz noch sicher geschafft hätte die 8 Servos zu versorgen....

 

[BOcnc]

Das ist mir neu.

Ich dachte immer der Strom will nicht durch die Spule und steigt nur langsam an beim einschalten. Da sollten doch ein paar Windungen mehr drauf sein.

 

[KurtHarders]

Gibt es nun nicht schon Empfänger und Servos welche direkt mit 2S Lipos oder Lifes betrieben werden können. Somit entfällt das ganze runter oder raufregeln. Man hat da auch eine Fehlerquelle weniger mit an Bord. Ausserdem wird auch Weniger Raum für den beansprucht.

Grundsätzlich hast Du Recht, man kann diese Kombination aufbauen. Da es Servos gibt, die mit der Versrogungsspannung auch stark den Nullpunkt verschieben lag es aber nahe, die "Gelegenheit" zu nutzen und mit 1S und Aufwärtswandler eine einfache stabilisierte Spannungsversorgung zu realisieren.
Als Alternative habe ich ja auch eine (lineare) Abwärtsregelung vor jedem Servo vorgeschlagen, um auch Spannungsabfälle an Leitungswiderständen auszuregeln. Ich werde gleich die simple Schaltung aus 2 Kondensatoren und einem SMD-Regler mal in Dauerlast testen.
Grüße, Kurt

 

[haegar]

Das ist mir neu.

Ich dachte immer der Strom will nicht durch die Spule und steigt nur langsam an beim einschalten. Da sollten doch ein paar Windungen mehr drauf sein.

ja, schon, aber dann fließt erst mal der "Kurzschlussstrom" bis der Motor anfängt zu drehen

 

[Sushi]

Ein Motor ist nicht das Gleiche wie eine Induktivität, auch wenn Induktivitäten in großem Anteil enthalten sind. Für die Gleichstrommaschine gilt: Der Motorstrom ist proportional zum Drehmoment, und das ist beim Anlaufen am größten.
Allerdings sind die Spitzenwerte bei der Auslegung von Leistungselektronik nur in sofern interessant, dass sie natürlich nicht die Maximalwerte, die die Bauteile überhaupt vertragen, überschreiten dürfen. Das dürfte allerdings so gut wie nie der Fall sein. Die endgültige Strombelastbarkeit(auf Dauer, und ddafür sind die Werte angegeben) hängt zum allergrößten Teil an der Erwärmung der Bauteile, und die ist so träge, dass sie nicht von den Spitzenwerten, sondern von den Effektivwerten abhängt.

Beispiel: Ein relativ kleiner Mosfet IRLML2502 von International Rectifier verträgt Spitzenströme von 33A(vgl. Datenblatt: Pulsed Drain Current), aber kontinuierliche Ströme (d.h. der geometrische Mittelwert, also der Effektivwert über die Zeit) von nur 4,2A im kalten und 3,4A im heißen Zustand. Der geneigte Ingenieur nimmt sich natürlich den letzteren Wert zu Herzen und berechnet seine Schaltung trotzdem so, dass sie einigermaßen kalt bleibt.

Hier noch das Datenblatt: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlml2502.pdf

Diese Werte finden dann wie folgt Beachtung: Der Pulsed Drain current darf zu keiner Zeit überschritten werden, der continuous drain current ist ein erster Anhaltspunkt für die Auswahl eines geeigneten Bauteils. Anschließend wird überprüft, ob das Bauteil bei der angedachten Maximallast auch nicht zu heiß wird. Die VErlustleistung lässt sich recht genau berechnen und setzt sich zusammen aus Schaltverlusten und Leitendverlusten. Dann gibt es noch zwei weitere wichtige Angaben im Datenblatt: Das eine ist die maximale Sperrschichttemperatur (Junction Temperature), die angibt, wie heiß der Chip selbst(also nicht das Gehäuse sondern wirklich das innerste des Bauteils) werden darf, damit er nicht kaputt geht.
Die andere ist der Wärmewiderstand, Angabe in Kelvin pro Watt. Da gibt es verschiedene, etwa Rthjc (R für Widerstand, th für thermal, JC für Junction-Case). Alle diese Wärmewiderstände werden addiert, eine Umgebungstemperatur, bei der das Gerät maximal betrieben werden darf, wird vorgegeben und man kann dann die Temperatur berechnen, die der Chip unter Maximallast hat. Andersrum funktioniert die Rechnung auch, man kann sich den Wärmewiderstand des minimal benötigten Kühlkörpers ausrechnen. Dabei kann auch herauskommen, dass kein Kühlkörper benötigt wird, was dann die kaufmännische Abteilung freut.

Alle Rechnungen erfolgen natürlich unter Zugabe eines Sicherheitsfaktors.

Was ich eigentlich nur sagen wollte: Die kurzzeitige Belastung ist eigentlich für diese Geräte eher uninteressant. Ein Sicherheitsfaktor ist immer angebracht, aber doch bitteschön auf den zeitlichen Mittelwert angewandt. Wie man sieht, kann ein Mosfet, der sonst bestenfalls für 3A verwendet werden würde, durchaus 33A Spitzen verkraften.

Falls ich nerve mit meinen Erklärungen, sagt ruhig Bescheid, aber vielleicht ist es ja auch ganz interessant für den ein oder anderen. Gegenargumente sind natürlich auch immer gut, das animiert zum Nachdenken ;-)

LG, Björn

 

[Wattsi]

Step Up vs. Step Down Regler

Step Up vs. Step Down Regler

Zum Thema Wirkungsgrad der beiden Reglertypen speziell bei niedriger Eingangsspannung würde ich eher e. Step Down Regler nehmen.
Begründung:
1.
Der Static Drain-to-Source On-Resistance ist bei der niedrigen VGS ~ doppelt so groß
0.035 0.045 Ohm VGS = 4.5V, ID = 4.2A _––– 0.050 0.080 Ohm VGS = 2.5V, ID = 3.6A.
Quelle: o.a. Link
2.
Beim Step Down Regler ist bei gleicher Ausgangsleistung der Eingangsstrom geringer als beim Step Up Regler
Dadurch sind vermutlich auch d. Störstrahlungen geringer.

Wolfgang

 

[Meinrad]

(...)

Was ich eigentlich nur sagen wollte: Die kurzzeitige Belastung ist eigentlich für diese Geräte eher uninteressant. Ein Sicherheitsfaktor ist immer angebracht, aber doch bitteschön auf den zeitlichen Mittelwert angewandt. Wie man sieht, kann ein Mosfet, der sonst bestenfalls für 3A verwendet werden würde, durchaus 33A Spitzen verkraften.

Falls ich nerve mit meinen Erklärungen, sagt ruhig Bescheid, aber vielleicht ist es ja auch ganz interessant für den ein oder anderen. Gegenargumente sind natürlich auch immer gut, das animiert zum Nachdenken ;-)

LG, Björn

Hallo Björn

ich finde Deine Informationen sehr interessant, zeigen sie doch auf, wie man mit plakativen Werten umgehen kann.
Mir sind Infos mit echtem Hintergrundwissen lieber als : "Hab gehört".

Meinrad

 

[BOcnc]

Ich verstehe ja nicht viel davon aber hier ging es um gleichzeitigen Puls oder um 1-2 ms versetzt.
Es wurde behauptet das im Einschaltmoment ein Kurzschluß besteht. Deshalb mein Einwand mit der Spule. (kein Kurzschluss beim einschalten)
Das beim Anlauf mehr Strom benötigt wird ist klar

Ich habe leider keinen so niderohmigen Widerstand zum Strom messen.
Werde das aber mal mit einem 100MHz Oszi machen.

 

[Wattsi]

Kurzschluss

Kurzschluss

@BOcnc
Kurzschluss kann nicht sein, da der Ohmsche Widerstand des Motors mit allen peripheren Widerständen (Leitungen, Halbleiter im Regler) den Strom begrenzt.
Der max. Strom ist daher im wesentlichen der Blockierstrom des Motors im Servo.
Und mit dem Oszi wirst du auch keine Strom messen....ohne nIEderohmigen Widerstand.
Wolfgang