Stromversorgung im Flugmodell
Einfach, effizient und zuverlässig!

(Aug. 2013) Wenn im Modell kein Regler mit BEC vorhanden ist oder dessen BEC-Versorgung nicht genutzt werden soll, kommen oft Lösungsansätze mit separater Empfängerbatterie oder getakteter Stromversorgung zum Einsatz – was durchaus seine Berechtigung hat und für manche Anwendungen sogar den einzig sinnvollen Weg darstellt. In vielen Fällen allerdings liegt die Lösung eines einfachen und kostengünstigen Ansatzes oft viel näher als man denken mag. Vor allem bei kleineren und einfacheren Modellflugzeugen, wie sie zunehmend das Gros in der Modellfliegerei ausmachen. Und auch wenn in zwei- oder mehrmotorigen Modellen die Regler-BECs gemeinsam genutzt werden sollen, gibt es recht einfache und praktikable Möglichkeiten. Man muss dabei nur ein paar Dinge im Auge haben und beachten.

Herzstück der im Folgenden dargestellten Lösungen sind lineare Festspannungsregler, Schottky-Dioden und ein Elektrolytkondensator. Alles Bauteile, die nur ein paar Gramm zusätzliches Gewicht auf die Waage bringen und für wenige Cent im Elektronikhandel bezogen werden können.

Festspannungsregler aus der Reihe 78xx liefern eine stabilisierte und absolut glatte Ausgangsspannung – im Gegensatz zu getakteten BEC-Schaltungen, deren Taktfrequenz immer irgendwie „durchkommt“ und in Ausnahmefällen zu Störungen führen kann. Ein 7805 hat an seinem Ausgang beispielsweise +5V, beim 7806 sind es +6V. Die Eingangspannung kann bis 35V hoch sein und sollte wenigstens um 1 bis 2V über der gewählten Ausgangsspannung liegen. Vom Strom her können diese Regler meist zirka 2A, womit sich – abhängig von deren Stromaufnahme – durchaus bis zu 8 Servos versorgen lassen. Von Nachteil ist allerdings die in diesen Spannungsreglern erzeugte Verlustleistung: Sie ergibt sich aus der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem entnommenen Strom. Sie wird gnadenlos in Wärme umgesetzt und muss abgeführt werden. Ein Beispiel: Wer einen 7805 an einen voll geladenen 4s-Lipo-Akku mit 16,8V anschließt und dabei 1A Strom entnimmt, erzeugt eine Verlustleistung von 16,8V – 5V x 1A = 11,8W. Werden diese 11,8W Wärmeleistung nicht abgeführt, überhitzt der Regler. Gut beraten ist, wer eine Verlustleistung in dieser Höhe erst gar nicht entstehen lässt. Dies ist durchaus möglich, denn man muss ja für 5V Ausgangsspannung nicht zwingend 16,8V abgreifen. Über einen Abgriff am Balancer-Anschluss des Akkus lässt sich problemlos eine kleinere Spannungslage als Eingangsspannung wählen. Diese Problematik trifft übrigens auch für die auf den meisten Reglern verbauten BECs zu. Denn auch hier werden aus Kostengründen gerne Festspannungsregler verwendet. Jedoch mit dem nachteiligen Unterschied, dass ihre Eingangsspannung immer gleich der vollen Akkuspannung ist und man nicht die Wahl hat, bei 2 oder 3s einen willkürlichen Abgriff vorzunehmen. Zudem sind die SMD-Bauteile aus Platzgründen sehr viel kleiner und vertragen somit weniger Wärme. Manch einer mag sich daher schon gewundert haben, dass sein mit 3A angegebenes BEC bereits bei 6 angeschlossenen Servos den Geist aufgegeben hat. Es ist eben nicht nur der Strom, der fließt und zählt, sondern auch die durch den Spannungsunterschied mal Strom erzeugte Verlustleistung.

Wie hoch können Ströme werden?
Unterstellen wir einmal ein kleineres 80cm bis 1,60m Modell mit 4 oder 5 Servos für Höhenruder, Seitenruder, Querruder plus eventuell Landeklappen oder ein Einziehfahrwerk. Ein durchschnittliches 6-12g schweres Analogservo zieht zwischen 50 und 100mA Strom und ein Digitalservo braucht etwa 100 bis 200mA. Kleinere 2 bis 4g-Servos brauchen weniger, größere mehr. Ein Blick in die Herstellerdaten zeigt die Größenordnung und wer sicher gehen möchte, misst die Servos selbst aus. Für unser Modell wären dies also 250 bis maximal 500mA für die analogen und 500 bis 1000mA für die digitalen Servos. Die 2A des Reglers reichen also locker aus. Wie erwähnt, gibt es jedoch noch eine zweite Seite der Rechnung: Wenn die Eingangsspannung des Reglers an einem vollgeladenen 3s-Akku mit max. 12,6V abgegriffen wird, entstünde eine Verlustleistung von 1,9 bis 3,8W im Analogbetrieb bzw. bis 7,6W bei den digitalen Kollegen. Wobei die 7,6W bereits grenzwertig anzusehen sind. Allerdings muss man berücksichtigen, dass nicht immer alle Servos im Volllastbetrieb Strom aufnehmen und auch ein 3s-Abgriff nur kurzzeitig volle 12,6V hat. Damit relativiert sich diese Kalkulation wieder. Es gilt jedoch noch einen weiteren und unter Umständen weit wichtigeren Gesichtspunkt zu berücksichtigen: die sogenannten „brown-outs“. Der Strombedarf eines Servos kann beim ruckartigen Anziehen im Millisekundenbereich um Faktoren über seinem Normalwert liegen. Diese Eigenschaft wird besonders fatal, wenn beispielsweise durch eine Störung verursacht alle Servos im Modell gleichzeitig anziehen. Messungen mit einem Speicher-Oszilloskop haben gezeigt, was passiert, wenn das gefürchtete Servoflattern einsetzt. Siehe heirzu Details unter "Durch brownouts bedingte Abstürze vermeiden" und dort insbesondere die Messungergebniss der durch Servos verursachten Spannungseinbrüche.

Im Testaufbau war ein 25A-Regler mit einem 2A-BEC und vier Futaba S3150 Digitalservos. Bei Betrieb aller vier Servos (gleichzeitiges „rudern“ an allen Sticks der Fernsteuerung) traten über eine Zeit von 2 ms Stromspitzen bis 4,8A auf. Das ist für das auf 2A ausgelegte BEC heftig. In Folge brach die Spannung für 640?s von 5,08V um 1,64V auf 3,44V ein. Das ist eine Unterspannung für fast 1 ms, mit der nicht alle Empfänger problemlos umgehen können – vor allem die nicht, die dann meinen, neu binden zu müssen. Den Rest dieser Geschichte kennen sicher einige aus eigener Erfahrung nur zu gut.
Doch weiter: Durch ihre Bewegung und Induktivität speisten die Servos Strom zurück, woraus eine Spannungsüberhöhung um 1,44V auf 6,52V resultierte. Was auch nicht immer gut gehen muss, denn gerade zurück gespeiste Überspannungen können an ihrer Grenze arbeitende Regler blitzartig zerstören. Unterm Strich ein Vorgang, der völlig unbemerkt passiert, deshalb unterschätzt und meist gar nicht beachtet wird.
An dieser Stelle kommen die eingangs beschriebenen zwei zusätzlichen Bauteile ins Spiel: Ein Elektrolytkondensator – kurz Elko – hat die Eigenschaft, sich gemäß seiner Kapazität mit Ladung, also mit Energie zu füllen. Diese kann er in voller Höhe auch wieder abgeben. Damit können kurzzeitige Unterspannungen ausgeglichen werden und man spricht deshalb auch gern von einem Puffer-Elko. Werden Überspannungen zurückgespeist, füllen diese erstmal den „Topf“, der Elko glättet und kann so ihre Auswirkungen lindern. Erfahrungswerte für die Größe eines Puffer-Elkos sind für 5-12g-Servos: 470uF/10V bei 2 Servos, 1.000uF/10V bei bis zu 4 Servos, 2.200uF/10V bei bis zu 6 Servos und 4.700uF/10V bei mehr Verbrauchern.
Eine Diode wiederum lässt Strom nur in einer Richtung durchfließen. Man kann mit ihr also verhindern, dass Ströme überhaupt zurückgespeist werden. Eine angenehme Eigenschaft vor allem dann, wenn zwei oder mehr Stromquellen aus Redundanzgründen und um eine stabilere Gesamtversorgung zu gewährleisten zusammengeschaltet werden sollen. Doch beim Durchfluss des Stromes durch die Diode geht ein Stück Spannung verloren und mit den Vorteilen erkauft man sich in gewisser Weise auch wieder Nachteile. Bei einer durchschnittlichen Silizium-Diode beträgt der Spannungsabfall 0,6 bis 0,8V und anstelle der ursprünglichen 5V würde die Spannung im Bordnetz des Modells auf 4,4 bis 4,2V absinken. Damit würde die Luft zur Unterspannungsgrenze sehr dünn. Abhilfe schaffen hier Schottky-Dioden, bei denen der Spannungsabfall im Bereich von 0,2 bis 0,4V liegt (zum Beispiel 1N5817 mit 0,32V). Genaue Werte sind in den Datenblättern zu finden.
Ein Elko kann also das Problem mit Spannungseinbrüchen und -überhöhungen zwar nicht verhindern, aber zumindest in einen akzeptierbaren Bereich lindern. Und mit einer Schottky-Diode lassen sich mehrere Spannungsversorgungen voneinander trennen und Rückspeiseströme verhindern, ohne dass dabei allzu viel Spannung verloren geht.

Wie hoch soll die Bordspannung nun sein?
Heutige Empfänger arbeiten fast ausnahmslos und sicher von 4,6V bis 6V, häufig sogar von 3,6V bis 9V. Und Servos haben bei 6V eine höhere Stell- und Haltekraft als bei 5V. Weil zudem eine Diode im Versorgungszweig ein klein wenig Spannung zunichte macht, empfiehlt sich daher eine Auslegung in Richtung 6V. Wird dies mit einem 7806 Spannungsregler realisiert, erhält man nach der Diode eine Bordspannung mit 5,6 bis 5,8V. Als Eingangsspannung werden 6V plus 1-2V Spannungsabfall am Regler gleich 7-8V benötigt. Das wäre ein 3s-Abgriff am Lipo-Akku (denn Zellen sollten nicht unter 3 x 3V = 9V leer geflogen werden). Bei einer 5V-Versorgung würde sich – der geringeren Verlustleistung wegen – ein 2s-Abgriff anbieten (5V + 1 bis 2V = 6 bis 7V, leer hätte dieser Akku 2 x 3V bis 2 x 3,5V = 6 bis 7V). Es bietet sich also an, die Ausgangsspannung in Richtung 6V zu heben und einer geringeren Verlustleistung zur Liebe die Eingangsspannung soweit wie möglich zu senken. Egal also, ob ein 3s oder 6s-Lipo-Akku verwendet wird: Der Abgriff erfolgt immer bei 2s oder 3s über den Balancer-Anschluss des Akkus. Wichtig dabei: der Minuspol des Balancers ist immer das Minus oder die Masse der ganzen Anlage. Also immer bei Minus mit dem Abgriff am Balancer-Anschluss beginnen!

#1: Separate Stromversorgung

Diese Schaltung eignet sich, wenn in einem Modell kein Regler-BEC vorhanden ist oder ein vorhandenes BEC des Reglers nicht genutzt werden soll. Über den Balancer-Anschluss werden 2s bzw. 3s des Lipo-Akkus als Eingangsspannung für den Spannungsregler abgegriffen. Ein Elko im Ausgang speichert zusätzliche Energie und puffert kurzfristige Stromspitzen ab. Der Elko sollte sich so nahe wie möglich am Empfänger befinden – man kann ihn mithilfe eines Servosteckers beispielsweise auf den Batterieanschluss des Empfängers aufstecken.

#2: Separate Stromversorgung plus Regler-BEC
Ist ein Regler mit 5V-BEC im Modell vorhanden, kann aus Sicherheits- und Redundanzgründen eine zusätzliche Stromversorgung aufgebaut werden. Ob dabei 6V (7806) oder 5V (7805) gewählt werden ist individuell zu entscheiden (s.o.).

Die beiden Stromquellen müssen über Schottky-Dioden voneinander getrennt werden. Sonst „speisen“ sie sich gegenseitig und laufen heiß bis zum Hitzetod. Mit einer Schottky-Diode und einem 7806-Regler kann eine Bordspannung von 5,6-5,8V erzeugt werden. Wird die Stromgrenze des Spannungsreglers erreicht oder dieser durch Verlustleistung zu heiß, regelt er ab und das 5V-BEC des Reglers springt ein. Das Regler-BEC ist bei dieser Schaltung im Normalbetrieb also unbelastet, steht aber „standby rund um die Uhr“ zur Verfügung.

#3: Zwei Regler-BECs zusammenschalten
Diese Schaltung macht dann Sinn, wenn in einem Modell zwei oder mehr Regler eingesetzt werden. Damit verteilt sich der entnommene Strom auf beide Regler und zusätzlich wird eine Redundanz aufgebaut, für den Fall, dass ein BEC seinen Dienst quittieren sollte.

Die beiden Plus-Leitungen der Regler werden aufgetrennt und über eine Schottky-Diode voneinander getrennt. Die Minus- und Signal-Leitungen der Regler werden zusammen gelötet. Tipp: Wer in die Signal-Leitungen der Regler kleine Steckkontakte einlötet, kann später im Betrieb die Regler leicht an- und abstecken und so einzeln testen. Da die Regler-BECs üblicherweise 5V Ausgangsspannung liefern, ist eine Schottky-Diode mit möglichst wenig Durchlassspannung ein Muss. Sonst geht an der Diode zuviel Spannung verloren und die Bordspannung sinkt auf Werte unter 4,6V. Und gerade weil mit den noch verbleibenden 4,6V nicht üppig viel Spannungsüberschuss für Spannungseinbrüche vorhanden ist, empfiehlt sich der Einsatz eines eher größer dimensionierten Puffer-Elkos. So gemacht beispielsweise bei der Ki-83 oder Focke FW187.

#4: Zwei Regler-BECs plus separate Stromversorgung
Auch wenn zwei oder mehr Regler im Einsatz sind, kann trotzdem eine zusätzliche separate 6V-Stromversorgung aufgebaut werden. Dafür sprechen gleich mehrere Faktoren: a) die Regler-BECs sind im Normalbetrieb unbelastet und erzeugen keine zusätzliche Wärme auf der Regler-Platine; b) bei 6V Bordspannung ist die Stellkraft der Servos wie schon erwähnt höher und c) bei 6V ist der Empfänger von seiner Unterspannungsgrenze „weiter“ entfernt.

Der 7806 übernimmt hier die Hauptversorgung – sollte er trotz des Puffer-Elkos durch Servo-Flattern in die Knie gehen, stehen die beiden 5V-BECs der Regler mit voller Ladung sofort „bei Fuß“.

Was noch...?
Zu erwähnen bleibt noch, dass die 78xx-Regler auf Grund ihrer engen Toleranzen und geringen Exemplarstreuungen zur Leistungserhöhung ohne weitere Vorkehrungen parallel geschaltet werden können. Wer lange Zu- und Ableitungen (größer 10-12cm) vom Balancer-Anschluss zum Regler beziehungsweise vom Regler zum Bordnetz verwendet, sollte vorsichtshalber Kondensatoren mit 0,1uF/25V verlöten, um mögliche Schwingungen zu vermeiden. Und zwar so nahe wie möglich am Regler zwischen Reglereingang und Masse sowie zwischen Masse und Reglerausgang.

Und noch eine Anmerkung zu Reglern mit BEC: Motorregelung und die BEC-Stromversorgung sind voneinander getrennte Schaltungen und sitzen rein „zufällig“ auf derselben Platine. Durch die enge Nähe zueinander beeinflussen sie sich aber natürlich – aus elektromagnetischer Sicht und vor allem thermisch. Werden die Regler-Transistoren bei Vollgas heiß geflogen, heizen sie den BEC-Chip zwangsläufig mit auf und umgekehrt. Quittiert eine der beiden Schaltungen ihren Dienst, ist die andere davon in der Regel nicht beeinträchtigt und lässt sich weiter nutzen. Zumindest solange es keinen Reglerbrand gibt (was gelegentlich ja auch vorkommen soll, siehe hier).

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