Spínané a lineární BEC v regulátorech, jejich zatížitelnost

Co to vlastně BEC je? Dříve, když byly modely poháněny výhradně spalovacími motory, používal se k napájení přijímače a serv 4článek NiCd o jmenovitém napě­tí 4,8 V, obvykle v tužkovém provedení. (Ještě před tím to byly primární, nenabíjecí tužkové baterie). Později se zvýšila zatížitelnost NiCd akumulátorů natolik, že umožňovaly dát proud schopný napá­jet pohonný elektromotor a vznikly první elektrolety. Typickým pohonným zdrojem pro modely letadel byl 7článek velikosti SC o jmenovitém napětí 7x 1,2 V = 8,4 V, A když už byly v modelu pohonné aku­mulátory, tak někoho napadlo, že by mohl z těchto akumulátoru napájet i přijímač a serva a vymyslel BEC (Battery eliminator circuit), volně přeloženo obvod eliminující baterii, který se stal součástí regulátoru motoru. Ušetří se tím několik desítek gra­mů hmotností modelu a odpadne nutnost nabíjet dvě akumulátorové sady - pohon­nou a přijímačovou. Zjednodušeně řeče­no, regulátor nyní nenapájí jen motor, do kterého pouští impulsy proměnlivé šířky a tím řídí jeho výkon, ale také stejnosměr­ným napětím 5 V přijímač a serva. A je jedno, zda je to regulátor „stejnosměrný'' pro komutátorové motory nebo regulátor „střídavý“ pro bezkomutátorové třífázové motory, princip je stejný. Napájení přijíma­če jde jednoduše po řídicím kabelu mezi regulátorem a přijímačem a dále z přijí­mače napájí serva. BEC může být buď lineární nebo spínaný.

A tím se dostáváme k otázce, kolík vlastně serv mohu k takovému BEC připo­jit. Nejprve musíme zjistit, jakou má tako­vé servo spotřebu. Na to není vůbec jed­noduchá odpověď. V klidu, kdy motorek serva nepracuje, má obyčejné analogové servo spotřebu typicky 5-10 mA, což je z hlediska zatížení BEC zanedbatelné. Další mezní hodnotou je proud serva při zablokování, kdy jde do motoru maximál­ní trvalý proud. Například když vychýlím páku směrovky vysílače na doraz, ale kormidlo se opře o výřez ve výškovce a nemůže se pohnout dále. Ale taková situace by v dobře postaveném a seří­zeném modelu neměla nastat. Hodnota blokovacího proudu je například u znač­kového 9g míkroserva Hitec HS-55 cca 400 mA, ale u levného obdobného 9g mikroserva TowerPro a téměř identického HXT 900 je to už 600 mA. Jak vidíte, tato hodnota je přibližně 100x vyšší než hod­nota klidového proudu. U digitálních serv jsem proudy neměřil, ale budou určitě spíše vyšší než nižší. Ve velmi krátkých špičkách pří rozběhu a zastavování ser­va mohou být proudové špičky ještě vyšší - řádově jednotky ampér, což může být příčinou rušení, ale z hlediska průměrné­ho zatížení BEC nejsou podstatné.

Jaká je ovšem průměrná spotře­ba proudu za letu? Logicky musí ležet někde mezi hodnotou klidového proudu a proudu blokovacího. A zajisté bude jiná u termického větroně či původně volného modelu, do jehož ladného letu je nejlépe vůbec nezasahovat a jiná u 3D akroba­tu, jehož pilot létá stylem všechny páčky do zatáčky. Jednou z mála objektivních cest jak průměrnou spotřebu serv zjistit, je změřit náboj dodaný od přijímačových baterií po letu. To ovšem platí jen pro při­jímačové baterie Li-lon čí Li-Pol, u NiCd a NiMH to neplatí. Jeden můj kamarád změ­řil, že po 15minutovém tréninkovém letu s akrobatem F3A osazeném 4 digitálními servy dobije do přijímačových baterii cca 120 mAh. To odpovídá průměrné spotře­bě 360 mA. Když zanedbáme odběr přijí­mače, vychází spotřeba v průměru 90 mA na každé servo.

Nyní velmi přibližně známe spotře­bu serv, tak se podíváme jaký proud je schopen poskytnout BEC. Tato hodnota bude ovšem záviset na mnoha faktorech, především na velikosti napětí pohonných akumulátorů, principu činnosti obvodu BEC (zda je lineární či spínaný) a také na možnosti chlazení regulátoru. Když se podíváme na katalogový údaj levného čínského regulátoru Turnigy PLUSH 12A-E, dozvíme se, že napájecí napětí pohon­ného akumulátoru může být až 16,8 V (4 články Li-Pol) a maximální proud je 2 A. Zdálo by se, že je vše v pořádku, ale jak si později ukážeme, opak je prav­dou. Jiní serióznější výrobci často neu­dávají výstupní proud BEC, ale udávají počet serv při daném napětí. Například u základní řady regulátoru (s lineárním BEC) JETI ADVANCE pro proudy 8 až 30 A se dočteme, že při použití dvoučlánku Li-Pol mohou být použita 4 serva, ale při 3 článcích Li-Pol již jen 3 serva. U vyš­ší řady regulátorů JETI SPIN 11, kde je použit spínaný regulátor BEC pracující s minimální ztrátou, je udávaný maximál­ní proud 2,5 A a maximální počet serv 6, a to nezávisle na napájecím napětí, které může být až 17 V (4 články Li-Pol).

Vrátíme se k modelovému příkladu, regulátoru Turnigy Plush 12A-E, který je osazen lineárním stabilizátorem tvořeným dvěma paralelně zapojenými integrova­nými obvody. Každý obvod je dimenzován na 1 A a celkový proud je 2 A. Zdálo by se tedy, že můžeme připojit klidně 4 ser­va. Bohužel je tu ještě další problém, a to výkonová ztráta na stabilizátoru, laicky řečeno, kolik tepla je schopen stabilizátor odvést, než se přehřeje a vypne působe­ním tepelné ochrany nebo nevratně „sho­ří“. Když se pokusíme dohledat maximál­ní výkonovou ztrátu (bez chladiče) těchto miniaturních integrovaných stabilizátorů o rozměrech cca 6 x 6 x 2,5 mm, nalezneme hodnotu 1,3 W. Tyto obvody jsou v regulátoru 2, ale jsou přímo na sobě a jeden zahřívá dru­hý, tudíž celkovou dovolenou výkonovou ztrátu lze odhadnout na cca 2 W. Navíc je regulátor ukrytý pod smršťovací bužírkou, což zhoršuje jeho chlazení, na druhou stranu by měl být v modelu umístěn tak, aby na něj foukal chladicí vzduch.

1) Při napájeni dvoučlánkem Li-Pol bude napájecí napětí cca 8 V a napěťová ztráta na stabilizátoru bude cca 8 - 5 = 3 V. Pro­tože výkon P = napětí U x proud I a tedy I = P/U. To při maximální výkonové ztrátě 2W představuje 2/3 = 0,66 A. To zname­ná, že 4 serva lze použít.

2) Pří napájení třemi články Li-Pol bude napětí plně nabité středně zatížené bate­rie asi 12 V. Na stabilizátoru BEC se tedy musí „ztratit“ 12 - 5 = 7 V. Maximální trvalý proud při dovolené ztrátě 2 W bude tedy 2/7 = 0,29 A. Což stačí tak na 3 serva.

3) Při napájení čtyřmi články Li-Pol bude situace ještě dramatičtější. Na pohonné baterii bude na začátku letu při zátěži asi 15 V. Rozdíl napětí na vstupu a výstupu stabilizátorů BEC bude cca 10 V. Maxi­mální trvalý proud bude tedy 2/10 = 0,2 A, což stačí tak na 2 serva.

Závěr tedy je, že u regulátoru s line­árním BEC při napájení dvoučlánkem Li-Pol můžeme bezpečně použít 4 ser­va. U modelů s napájením ze tříčlánku je bezpečné použít 3 serva. S určitou mirou rizika a s dobrým chlazením regulátoru (například regulátor nalepený oboustran­nou páskou či suchým zipem na des­kovém trupu modelu typu Super Zoom a vystavený proudu vzduchu od vrtule) je empiricky ověřeno, že lze s určitou malou mírou rizika používat 4 serva. Při použití čtyř nebo více článků Li-Pol je v podstatě nezbytné použít buď regulátor se spína­ným BEC nebo přijímačové baterie. Je vhodné připomenout, že u havárie způso­bené přehřátím a vypnutím BEC tepelnou ochranou se těžko hledá příčina, protože když dojdeme k modelu nebo k tomu co z něj zbylo, regulátor bude již obvykle vychladlý a RC systém bude opět funkč­ní.

Spínaný BEC v regulátoru nebo sepa­rátní přijímačové baterie (nebo také exter­ní samostatný spínaný BEC) je nutné také použít, když model osazujeme dal­šími servy, například pro klapky nebo tře­ba pro mechanický podvozek. Výškovka, směrovka a křidélka totiž v klidové stře­dové poloze nijak servo nezatěžují, odpor kladou pouze při vychýlení, tj. při změně polohy letadla či změně směru letu. Nao­pak vysunuté klapky jsou plochy vychýle­né do proudu vzduchu a tedy kladou jistý aerodynamický odpor a zatěžují servo po celou dobu letu na klapkách. Ještě horší situace nastane, když se zasekne mechanický podvozek a servo je delší dobu namáháno blokovacím proudem. Může dojít nejen k destrukcí serva, ale následně k přetížení BEC (nebo i vybití přijímačových baterii) a následně k havá­rii. V současnosti používané elektrické podvozky tento problém obvykle vylučují, protože po mechanickém zablokování se obvykle po několika vteřinách odpojí, aby nepřetěžovaly palubní rozvod 5 V. Kdo by se tedy slepě řídil katalogo­vým údajem výše zmíněného regulátoru Turnigy a pokusil se jej při napájení ze čtyřčlánku Li-Pol zatížit dovoleným prou­dem 2 A, se zlou by se potázal. Na regu­látoru BEC by byla ztráta (15 - 5)V x 2 A = 20W, což by vedlo v průběhu několika sekund k jeho vypnutí nebo možná i trvalé destrukci. Na takový ztrátový výkon by byl potřeba chladič o ploše několika desítek cm². Fyzikální zákony se prostě obejít nedají.

Pro RCM 9/2013 napsal Ing. Petr Hrubeš