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Testbericht Lipo Empfängerspannungswandler VS-4R von Moraw Elektronik |
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Testbericht Lipo Empfängerspannungswandler Dazu bedarf es jedoch einer kleinen Elektronik damit die beim Lipo Akku andere Spannungslage angepaßt werden kann. Da ich gleichzeitig auch auf Digitalservos umrüsten möchte, sollte diese Elektronik klein, leicht, zuverlässig und leistungsfähig sein. Auf der Suche nach solch einer Elektronik war ich erst mal erstaunt das es gar nicht so viele am Markt gibt wie man annehmen würde, eigentlich sind mir nur Kontronik, Webra, Emcotec und Moraw eingefallen, es mag auch noch andere geben, die sind jedoch wenig verbreitet. Ich hatte die Gelegenheit Kurt Moraw am Helitreffen in St. Johann (2005)zu treffen und konnte das Thema mit ihm diskutieren.
Ich habe selbst einen Wandler gebaut der 20 A Dauer kann, und es ist ein getakteter Wandler, aber ich habe am eigenen Leibe erfahren müssen was es bedeutet wenn der Empfänger dadurch gestört wird. Dabei wird dem Empfänger ein sehr kräftiges Empfangssignal(Trägersignal) „vorgegaukelt“ und er reagiert darauf indem er seinen Verstärkung reduziert (um Übersteuern zu verhindern). Somit kann das richtige Signal ( also jene Trägerfrequenz – der Kanal ; welcher die Steuerinformationen enthält) nicht mehr empfangen werden. Ich habe das ausgiebig getestet, und die Reichweite wird um bis zu 80% !! reduziert. Daher kommt dieses Prinzip nicht in Frage. Eine Filterung und Abschrimung dieser Schaltwandler ist möglich aber sehr aufwendig, so daß der Preis und das daraus resultierende Gewicht (vollständige Metallabschirmung) dies nicht rechtfertigen. Das alternative Prinzip ist das des sogenannten Linearreglers oder auch LDO Regler. LDO steht für low drop out, und bedeutet das es im Falle eines schon relativ leeren Akkus nur einen sehr geringen Spannungsverlust gibt, bzw. das der Regler in diesem Fall einfach die Akkuspannung direkt durchschaltet. Der Nachteil dieser Spannungsregelung ist das die zu hohe Spannung in Verlustleistung sprich Wärme gewandelt wird. Dieser Verlust steigt linear mit der Spannungsdifferenz an und daher auch der Name Linearregler. Der große Vorteil und in unserem Fall schwerwiegendste Punkt ist das diese Regler sehr wenig Störstrahlung in Form von Elektromagnetischen Feldern haben, und auch die oben genannte Impulsartige Stromlast entfällt. Diese beiden Punkte gepaart mit solider Verarbeitung haben mich dazu bewogen dieses Schaltungsprinzip zu wählen. Genau in diesem Bereich bietet Moraw Elektronik sehr solide Lösungen an. Es gibt diese Spannungswandler in folgenden Ausführungen: VS4P hat drei Funktionen. Elektronischer FET Sicherheitsschalter, Akku Monitor, und Spannungsregelung. Die Variante mit der Bezeichnung VS4R hat 2 Funktionen: Akku Monitor und Spannungsregelung. Eine weitere Variante ist mit der Bezeichnung VS4L benannt und hat einen kleineren Kühlkörper als die VS4R. Dieses Gerät ist aufgrund des nochmals reduzierten Gewichtes für kleinere Elektroflugmodelle gedacht. Da ich Purist bin habe ich mich für die Variante VS4R entschieden, ich pflege keinerlei Schalter zu benutzen. Jedoch sind die FET Schalter von Moraw seit Jahren für ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit bekannt. Bei Heli4You wird nahezu jedes Modell damit ausgerüstet. Bevor ich dieses Gerät im NT einbaute habe ich einige Tests im Labor durchgeführt weil ich dem Teilmal so richtig auf den „Zahn“ fühlen wollte. Wohl auch um die Aussagen von Hr. Moraw kritisch zu hinterfragen, schließlich wird kein Hersteller sein Produkt „schlechtreden“ ;)Als Meßmittel standen mir folgende Dinge zur Verfügung: Oszilloskop „Agilent 54624“ Labornetzgerät „PL330DP“ von TTI Multimeter „Fluke 75“ IR Phyrometer Typ Raytek „Raynger MX“ Sowie einige “Flüssigkeitsgekühlte (siehe Wasserglas) Leistungswiderstände. Na alles vom Feinsten damit sollte man was messen können. Die Meßanordnung ist recht einfach und im folgenden Bild dargestellt: Die Technischen Daten des Gerätes sind folgende: Max Betriebsstrom: 15 Ampere bei modellüblicher Last Max kurzzeitiger Spitzenstrom 50A Akku Spannungsbereich 6 bis 10 Volt Akkumonitor: 2 LED grün / rot Ausgangsspannung: einstellbar in Stufen von5 bis 5,9V Nach dem Auspacken konnte ich einen ersten Eindruck des Gerätes gewinnen als der war: Klein, gut dimensionierte Kabel, und ein auf den ersten Blick erkennbarer kräftiger Mosfet Transistor. Alle Kabel und andere evtl. bewegbare Teile sind mit Heißkleiber gesichert, sieht gut aus. Es sind eigentlich 3 LED „an Bord“ 2 sind SMD Led`s direkt auf der Platine, eine ist in superheller Ausführung an Kabeln verlötet, um sie so anbringen zu können das sie sichtbar ist. Die Ausgangsspannung ist gemäß der beiliegenden Anleitung in folgenden Bereichen einstellbar: 5V ; 5,3V; 5,5V; 5,9V…… Werksseitig ist 5,5V eingestellt, das habe ich vorerst auch so belassen. Die gemessene Ausgangsspannung ist übrigens 5,518V (inkl. Meßfehler)also eine recht genaue Regelung.
Bei sinkender Eingangsspannung verringert sich auch die Verlustleistung. Das bedeutet das immer wenn der Akku randvoll ist, die höchste Verlustleistung (=Wärme) entsteht, diese dann über die Zeit jedoch abnimmt. Am Ende sprich wenn der Akku leer ist, wird auch die geringste Spannungsdifferenz vorhanden sein, und das Gerät wird weniger Verlustleistung also Wärme abgeben.Bei Lipo Akkus sinkt die Spannung beinahe linear über die Zeit ab, und ist somit ein guter Indikator für die entnommene Kapazität. Als erste Meßaufgabe wollte ich wissen wie warm denn das Gerät bei einer Last von etwa 3 Ampere wird. Nun, es waren genau genommen 3,44A und dabei wurde das Gerät im Zeitraum von 4 Stunden ca 100°C heiß. Nun das erscheint im ersten Moment viel, aber es gilt zu bedenken das diese Messung keinesfalls die im Modell auftretenden Verhältnisse wiedergibt. Ich wollte ganz bewußt so hohe Temperaturen herbeiführen denn es ging auch um die Frage: Schaltet das Gerät wegen Überhitzung ab oder nicht? Antwort: Nein! Es hat durch diese Temperatur keine Funktionsbeeinträchtigung gegeben. Lediglich der Heißkleber ist geschmolzen und auch der Schrumpfschlauch. Das Gerät hat dabei anstandslos funktioniert.
Dies bedeutet daß die Stellkräfte und die Stellgeschwindigkeit bis zur letzten Minute gleichbleibend sind. Im Übrigen geben sehr viele Hersteller zwar Stellkräfte und Stellzeiten an, die gelten für 6 V…… das wird jedoch oft verschwiegen. So hat auch ein 4 Zelliger Nicad oder Nihm Akku nur im gut geladenen Zustand 4,8V. Und selbst diese 4,8 V sinken im Laufe der Zeit ab. Derartige Akkus sind bei ca 4 V leer, aber im Vergleich zu den Stellkräften und Stellzeiten der Servos bei 6 V sind das bereits ca 30% Leistungsverlust. Also hat man mit der Lipo Regler Lösung immer konstante Stellkräfte und Stellzeiten. Nun habe ich als nächstes untersucht wie genau die Spannungsanzeige funktioniert. Der Moment ab welchem die LED von Rot auf Grün umschalten liegt bei 6,24V wenn die gesamte Schaltung sehr heiß ist, und bei 6,23V wenn alles kalt ist. Die Hysterese, also die Abweichung bei mehrfachem Wiederholen des Tests lag bei sehr guten 0,01V. Also eine sehr genaue Anzeige! Der nächste Test sollte die Lastregelung auf die Probe stellen. Dabei geht es um folgenden Sachverhalt. Wie genau wird die Spannung eingehalten wenn man von Leerlauf (= keine Last) auf Maximale Last ( 15Ampere) schaltet, und kommt die Lastregelung bei sehr schnellen Lastwechseln außer Tritt. Ergebnis: Traumhafte Lastregelung, es wird auf 10mV genau geregelt, und das in enormer Geschwindigkeit. Ich habe selbst im Bereich von weniger als 10ms (0,01s) lang dauernden Laständerungen keinerlei Instabilitäten oder ähnliches bemerkt. Das heißt die Ausgangsspannung hat sich beim Übergang von Vollast auf Leerlauf auf 0,01V genau gehalten. Die nächste Messung sollte zeigen wie viel Spannungsverlust auftritt wenn die Eingangsspannung gleich oder kleiner der Ausgangsspannung ist. Man nennt diesen Spannungsverlust Drop Out Spannung. Diese lag im Bereich von kleiner 23 mV was ebenfalls ein absolut hervorragender Wert ist. Dies kann nur durch Verwendung eines externen Mosfet erreicht werden, und zeigt wie gut durchdacht das Schaltungskonzept von Hr. Moraw ist. Es gab dann noch eine weitere Messung und zwar der Spannungsverlust am Mosfet wenn die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist. Dabei ist der Spannungsverlust mit nur 2mV extrem gering. Dahinter steckt folgende Überlegung: Wenn der Akku leer ist, was tut man? Abschalten = Absturz sicher oder aber alles was noch im Akku ist weiterleiten und evtl. noch landen können? Mir ist das zweite lieber weil man würde es an der Reaktion des Modells merken das der Akku leer wird, auch wenn man die Low Batt Led nicht gesehen hat. So besteht eine berechtigte Chance das Modell zu landen, auch wenn hinterher der Akku wegen Tiefentladung defekt ist. Lieber Akku wechseln als einen Absturz zu riskieren. Abschließend habe ich das Gerät aus dem Schrumpfschlauch genommen und alle geschmolzenen Heißkleberreste entfernt um zu sehen wie es aufgebaut ist. Dabei habe ich den Kühlkörper entfernt und festgestellt das er unter Verwendung von Wärmeleitpaste sehr sauber montiert war und hervorragenden thermischen Kontakt zum Endtransistor hatte. Ich habe mir auch noch kurz das Datenblatt dieses Mosfet Transistors angesehen und dort steht das er 31 Ampere Dauerlast kann, und sogar bis zu 110A kurzzeitige Spitzenströme. Fazit im Labor: super Gerät, hervorragende elektrische Eigenschaften und sehr solide aufgebaut. Daher habe ich beschlossen dieses Gerät im Helicopter zu verwenden und werde in Kürze meine Erfahrungen berichten. So long Babyhermann Anbei noch ein paar Bilder, einfach draufklicken um zur Detailansicht zu gelangen
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Da ich den Vorteil habe selbst Elektroniker zu sein, war eine gute Inhaltlich aufschlußreiche Diskussion möglich. Es gibt sicherlich verschiedene Arten der Spannungswandlung, als da wären alle getakteten Regler, und all jene die als Linear Regler bezeichnet werden. Die getakteten Regler haben zwar den Vorteil sehr gute Wirkungsgrade zu haben, jedoch ergeben sich aufgrund dieser Taktung relativ hohe impulsartige Ströme. Man kann sich das Größenmäßig folgendermaßen vorstellen. Wird ein Dauerstrom von sagen wir 5 Ampere benötigt so können innerhalb der Schaltung impulsartige Ströme von bis zu 20 Ampere auftreten. Dies wäre nicht weiter schlimm wenn da nicht 2 Dinge dagegen stehen. 1. Der Akku muß diese Ströme erst mal liefern können (gerade bei Lipo Akkus ist das auf Grund des Innenwiderstandes nicht immer sichergestellt) und 2. erzeugen solche hohen Ströme auch kräftige Magnetfelder. Gemeinsam mit der Tatsache daß diese Ströme auch noch sehr kurz wirken, ergibt sich ein starkes elektromagnetisches Störfeld. Dies kann (und tut das auch) die Reichweite des Empfängers stark beeinträchtigen. 
Dabei ist folgende Energie in Wärme umgewandelt worden: (Uein – Uaus) * I nenn= (8V-5,518V)*3,44=8,5Watt die Leistung die an die Servos gehen würde, errechnet sich mit 5,518V * 3,44A = 18,98Watt daraus kann man sehen daß hier benahe 50% der Leistung „verschenkt“ werden. Dies reduziert sich allerdings über die Entladekurve des Akkus kontinuierlich so daß die Verluste immer geringer werden. Würde man den Wirkungsgrad über eine gesamte Akkuladung rechnen so wäre der im Bereich von 70 bis 80%. Das Bedeutet das 70 bis 80% der Akkuenergie tatsächlich durch die Servos verbraucht werden, der Rest sind thermische Verluste, sprich Wärme. Man darf aber eines nicht vergessen: Man hat immer eine konstante Spannung am Empfänger und an den Servos. 
