Stromversorgung

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Ohne „Saft“ geht nichts im Flugmodell. Es hat immer wieder Vorschläge gegeben, die Stromversorgung zumindest für große Modelle redundant auszulegen um den Ausfall eines Akkus nicht zur Ursache für einen Absturz werden zu lassen – nicht alle sind immer wirklich konsequent durchdacht. Günter Frank gibt hier einen Überblick und beschreibt auch eine erprobte Schaltung.

Stromversorgungen für Flugmodell-Empfangsanlagen und deren Sicherheit

Der Einsteiger hat es wie immer auch hier schwer, denn er bekommt vielleicht mangels guter Beratung eine Batteriehalterung mit Clips für Trockenbatterien und fliegt, falls es so weit kommt, diese möglichst leer – mit den üblichen Folgen. Bald hat er auf Akkus umgestellt, und bekommt neue Probleme, denn die Akkus wollen richtig geladen und gepflegt sein. Um einen gewissen Aufwand kommt auch hier der Neuling nicht herum.

In diesem Bericht möchte ich auf die unterschiedlichen und auch schon oft beschriebenen Verfahren zur Stromversorgung unserer R/C-Empfangsanlagen eingehen.

1. Grundsätzliches im Umgang und Einsatz von Versorgungsakkus

Grundregel: Ein Flugtag beginnt nur mit frisch geladenen Akkus! Restladezustände vom vorigen Wochenende sind ein nicht kalkulierbares Risiko. Grundvoraussetzung für sicheres Laden der Batterien ist ein zuverlässiges Ladegerät. Die Auswahl ist fast unübersichtlich. Es ist nicht unbedingt empfehlenswert, dem Akku eine Hochstromladung zu „verpassen“, denn einige Typen sind nicht schnelladefähig und wer weiß später noch so genau was der Akku verträgt. Meiner Meinung nach ist ein moderater Ladestrom bis C1/2 aus einem Reflexlader ein guter Wert bei relativ kurzen Ladezeiten und optimaler Akkupflege. Das Geld für ein gutes Gerät ist langfristig allemal eine vernünftige Investition.

2. Allgemeiner Aufbau einer Empfangs-Stromversorgung

2.1 Einfachstromversorgung mit 4 oder 5 Zellen

Diese Version stellt wohl die am häufigsten angewandte Art der Stromversorgung dar. Sie ist bei richtiger Akkupflege und sorgfältigem Umgang aus Sicht der Zuverlässigkeit akzeptabel. Man muß aber bedenken, daß es sich bei unseren Akkus um Massenprodukte handelt, die für den Betrieb in Elektrowerkzeugen oder Haushaltsgeräten gedacht sind. Bei 4 Zellen ist ein Zellenausfall, d.h. 3,6V verbleibende Spannung, nicht mehr immer ausreichend. Ein fünfzelliger Akku kann hier einiges retten, aber auch nur beim Kurzschluß einer Zelle.

2.2 Aufteilung in getrennte Akkus für Empfänger und Servos

Dieses Konzept hat auf den ersten Blick einige Vorzüge. Da wären die Möglichkeit eines kleinen Empfängerakkus und die Verwendung eines groß dimensionierten Akkus für die Servos. Aber Vorsicht! Eine Verdoppelung ist das nicht – genau genommen wird die Zuverlässigkeit halbiert – das Risiko eines Akkuausfalles verdoppelt! Zwei Akkus fallen statistisch doppelt so oft aus wie einer und wir brauchen für den Betrieb aber beide! Ferner kommt dazu, daß gerade solche Anordnungen relativ viel Aufwand in der Akkuüberwachung- und Pflege machen.

2.3 Stromversorgungen mit zwei Akkus

In kritischen Systemen, wie z.B. im Flugzeugbau, werden Stromversorgungen verdoppelt oder gar verdreifacht. Nur parallele Systeme sind geeignet, die Betriebssicherheit zu erhöhen. Auch hier gibt es mannigfaltige Konzepte und Lösungen, wovon einige vorgestellt werden. Man unterscheidet folgende, gebräuchliche Verfahren der Systemverdoppelung:

2.3.1 Zwei 5-zellige Akkus über Diodenweiche

Diese Anordnung ist sehr einfach und auch deshalb relativ zuverlässig. Man verwendet immer gleiche Akkus um eine gleichmäßige Entladung zu erzielen. Nachteilig ist, daß man nie weiß, wie die Akkus entladen werden. Sinnvoll ist es nach jedem Flugtag beide Akkus vor der Ladung erst zu entladen, um immer einen eindeutigen Ladezustand zu haben. Bei diesem Verfahren muß jeder der beiden Akkus für die erwartete Flugzeit ausreichend sein, da eine Zustandsrückmeldung bei Versagen eines Akkus nicht vorhanden ist!

2.3.2 Zwei 4-oder 5-zellige Akkus über Umschaltvorrichtung

Bei dieser Variante wird ein Akku als Haupt- und der andere als Reserveakku benützt. Eine Elektronik überwacht den Hauptakku und schaltet bei Unterschreitung einer definierten Spannung oder bei Drahtbruch im Hauptakkukreis auf die Reserve um. Beim Segelflugmodell ist eine akustische Meldung im Umschaltfall sinnvoll – dann kann entsprechend reagiert werden und es wird ohne Panik gelandet.

Der Reserveakku braucht in diesem Fall nicht die gleiche Kapazität aufweisen wie der Hauptakku – aber wie gesagt: im Segler nur mit Rückmeldung. Eine Umschaltung, die, einmal ausgelöst, nicht wieder zurückschaltet, macht so ein System übersichtlich. Anderenfalls könnten Probleme unerkannt bleiben und man fliegt mit den „schlafenden“ Fehlern weiter! Wichtig ist vom Prinzip her, daß man jetzt nicht beim Laden schlampt, oder den Hauptakku bewußt leerfliegt. Die Umschaltung soll Unvorhergesehenes abdecken und dadurch die Sicherheit erhöhen helfen! Ein solches System kann noch dadurch optimiert werden, daß man eine saubere Verkabelung mit hochwertigem, gekapselten Schalter mit ggf. zweifach zum Empfänger geführten Leitungen mit je einem Empfängerstecker (sofern freier Buchsenplatz vorhanden) versieht.

Weiter unten ist eine Schaltung für einen Umschalter beschrieben.

2.3.3 Echte Notstromversorgung mit Lithiumbatterie (FMT 10/98)

Eigentlich eine tolle Lösung, wenn nicht der hohe Preis dieser Zellen wäre. Technisch sauber gelöst ist für meine Begriffe nur der Entladegrad nach einem erkannten Auslösefall nicht. Mit der Spannungsmessung ist das so eine Sache, denn die läßt eine Kapazitätsbestimmung nicht zuverlässig zu.

2. Problematik der Akku-Zustandsbestimmung

Es wird häufig maßlos überschätzt, den Akkuzustand mit einer Spannungsmessung festzustellen. Nicht einmal ein besonders genaues Digitalvoltmeter ist imstande, den Ladezustand anzuzeigen, geschweige denn Geräte mit den unterschiedlichsten LED-Zeilen, denn auch diese sind nur Spannungsmesser. Der Grund liegt einfach in der Entladekurve. Sie ist im wichtigsten Teil zu flach und ihr genauer Verlauf ist von vielen Faktoren abhängig.

In einigen Konsum-Geräten ist schon teilweise eine echte Strombilanzierung von eingeladener zum entnommener Energie zu beobachten (z.B. Rasierer) Nur solche Verfahren würden den Ladezustand anzeigen können. Bis dahin müssen wir uns mit den oben genannten Methoden zufriedengeben und durch Sorgfalt im Umgang die Dinge in den Griff bekommen. Jede Modellflugsparte muß dabei differenziert gesehen werden, da eben ein Hubschrauber z.B. mit den kurzen Flugzeiten nicht mit stundenlangen Termikflügen eines Großseglers zu vergleichen ist. Nicht unerheblich wirkt sich natürlich auch der Wert eines Modelles auf die installierte Sicherheitseinrichtung aus, nur sollte nicht vergessen werden, daß das Bestreben nach optimaler Sicherheit im Flugbetrieb diese Überlegungen generell rechtfertigt.

3. Beschreibung eines Selbstbau-Akkuumschalters

(Verweis zum Schaltplan)   →korrigiert! Trimmer muß50k sein!

Das Gerät basiert auf dem integrierten Spannungsdetektor-Baustein ICL 8211 des Herstellers INTERSIL. Dieser erzeugt eine interne Referenzspannung von 1,15V, die mit der an Pin 3 anliegenden Spannung verglichen wird. Bei Unterschreitung dieser Spannung, die vom Empfänger-Hauptakku abgeleitet wird, erzeugt das IC ein Schaltsignal. Dieses schaltet über den Transistor den Thyristor durch; dabei wird das Umschaltrelais betätigt und es schaltet den Empfänger auf den Reserveakku.

Das Relais bleibt bis zum Rücksetzen durch Aus- und Einschalten auf dem Reserveakku.

Ein Alarmgeber wird aktiviert und kann bei Segelflugmodellen bei optimalem Einbau an der Rumpfunterseite auch noch in großen Höhen wahrgenommen werden. Bei Motormodellen ist die Alternative mit LED sinnvoll.

Der Strombedarf der Schaltung beträgt etwa 1,5mA in Bereitschaft. Das Umschaltrelais wird vom Reserveakku versorgt.

Die Schaltung überwacht folgende Ausfallkriterien:

  1. Unterschreitung der Hauptakku-Versorgungsspannung unter 4,2V
  2. Unterbrechung im Hauptakku-Stromkreis
  3. Kurzschluss im Hauptakku-Stromkreis
  4. Zurückschaltung auf den Hauptakku, wenn nach der Umschaltung der Reserveakku eine Unterbrechung bekommen würde. (könnte die letzte Rettung sein!)

Sinnvoll ist die Verwendung von zwei identischen Akkus und diese zur besseren Pflege und Sicherheit im rollierendem System austauschen. Wenn man die Ladung des Reserveakkus sorgfältig handhabt, kann man mit der Reservekapazität heruntergehen.

Für besondere Fälle, bei denen man nur mit einem Hauptakku fliegen möchte, wenn z.B. kein Reserveakku vorhanden ist, kann man diesen ausgesteckt lassen. Abgesehen davon, daß natürlich die Automatik sinnlos ist, erkennt sie diesen Zustand selbsttätig und würde Alarm schlagen, falls zum Beispiel der einzige Akku an die falsche Buchse gesteckt wird. Ferner wird, falls eine Unterspannung erkannt wird, nicht etwa auf den nicht vorhandenen Reserveakku umgeschaltet, sondern das Relais bleibt auf dem einzigen vorhandenen Hauptakku.

Beim Aufbau ist es zweckmäßig, die Elektronik mit dem Hauptschalter zu einer Einheit zusammenzubauen. Dieser sollte von guter Qualität sein – genauso wie die übrigen Bauelemente.

Sollte an der Empfänger-Buchsenbank noch ein Reserveplatz sein, kann man den in der Schaltung angedeuteten Zweitausgang für den Empfänger realisieren.

Die Schaltschwellen-Einstellung auf 4,2V hat sich gut bewährt. Nach meiner Beobachtung muß ein Kompromiß zwischen dem Fall, daß der Akku sich langsam der kritischen Unterspannung zubewegt und den Unterspannungeinbrüchen, bedingt durch Stromspitzen, gefunden werden. Diese werden landläufig sehr unterschätzt! Messungen haben im Kurzzeitbereich Stromspitzen von ca. 6A (!) bei z.B. 4 normalen Servos ergeben

Diese Schaltung wird bei uns im Verein schon seit elf Jahren mit Erfolg geflogen. Es ist kein Fall bekannt geworden, wo die Schaltung versagt hat. Man sollte eine solche Einrichtung unter dem Aspekt betrachten, daß die Sicherheit in diesem Punkt erheblich gesteigert wird . Dennoch: Man sollte niemals die Hauptakkus leerfliegen!

Günter Frank

Über Günter Frank

Modellflug betreibe ich seit nun 56 Jahren und habe damit alle wichtigen Epochen dieses Hobby´s mitverfolgt. Beruflich war ich 40 Jahre in der Flugerprobung von Dornier tätig. Elektronik und Flugphysik im Beruf, konnte man immer gut für die Modellfliegerei anwenden. Daher entstanden auch immer wieder Schaltungen und Praxistipps für den Modellflugbereich. Als weiteres Betätigungsfeld wäre da noch die Fotografie und Video zu nennen.

Ein Gedanke zu „Stromversorgung

  1. Hallo Günter Frank
    Ich freue mich, den Bauplan für den „Linearen Vorregler für Haupt und Reserve-
    Akku für nicht hochvoltfähige Komponenten“ auf Ihrer Seite gefunden zu haben.
    Ich plane jetzt den Baustein nachzubauen, da er genau das Richte ist für meinen
    sicheren Betrieb mit LiFe-Akkus bedeutet.
    Ich habe dazu folgende Frage: Was ist das für ein Widerstand mit der Bez.: R1 50R ?
    und da ich bei Reichelt bestelle, finde ich dort nicht den Elko: 5600uF25V sondern einenmit 6800uF25V . Ist dieser Elko verwendbar?
    Über eine Antwort würde ich mich freuen.
    Mit freundlichen Grüssen
    Wolfgang Schmidt 1.Vors. MSV Bühl-Moos e.V.

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