elims
20.February.2016, 01:42
Hallo zusammen,
da ich mich die letzte Wochen sehr intensiv mit dem Thema Eigenbau-Regler für SAW beschäftigt habe, wollte ich meine wichtigsten Erkenntnisse hier mal schriftlich festhalten. Das sind generelle Sachen, die sich eigentlich auf fast alle Regler anwenden lassen und ich wollte alles verstreute Wissen mal an einem Punkt zusammentragen.
Hier sind meine TOP 3 zum Reglertod (abgesehen von Kurzschluss durch Wasser):
Hitzetod MOSFET durch reguläre Überlast
Hitzetod Kodensatoren (Reglerbrand)
Spannungseinbruch am internen BEC
Also was für vorbeugende Maßnahmen kann man treffen, um den eigenen Regler nicht zu grillen? Der springende Punkt bei jedem Regler ist es die Verlustleistung gut genug vom MOSFET weg zu kühlen. Dennoch kann man einige Maßnahmen treffen um zum einen die Verlustleistung zu minimieren, oder die Kühlung zu verbessern.
Das man dem Regler im Boot die bestmögliche Kühlwasserversorgung zu kommen lässt, sollte selbstredend sein. Wenn der Regler mehrere Kühlwasseranschlüsse hat, gerne auch mehrere Kühlwassereinlasse am Rumpf verwenden. Und der Regler sollte der erste Kühlwasserverbraucher sein.
Bei manchen Regler ist der Kühlkörper nicht direkt auf den FETs angebracht, sondern noch ein Schrumpfschlauch dazwischen. Die sollte man so umbauen, dass der Kühlkörper direkt auf den FETs liegt. Je nach Bauart dürfen sich die FETs allerdings nicht über den Kühlkörper kurzschließen. Daher isolierende Kühlkörperanbringung verwenden.
Die Verlustleistung des Reglers setzt sich aus 3 wesentlichen Komponenten zusammen: Den Leitungsverlusten, den Schaltverlusten und den Freilaufverlusten (free wheeling current). Die Leitungsverluste sind durch den Widerstand der FETs bestimmt, sowie durch deren Temperatur und die Treiberspannung. Der Widerstand steigt mit der Temperatur an. Da die meisten unserer Regler sogenannte Logic Level FETs verwenden wird meist die BEC-Spannung (5-6V) auch zum Treiben der FETs verwendet. Bei einem richtig gut designten Regler machen die Leitungsverluste den größten Anteil aus. Hier kann man durch die Einstellung des Reglers leider nicht viel machen.
Etwas anders sieht es bei den Schaltverlusten aus. Die treten immer auf, wenn ein FET ein- oder ausgeschalten wird. Bei modernen FETs und Hochleistungstreibern sind die in der Regel aber ziemlich gering (< 20% der Leitungsverluste). Oft werden die aber absichtlich verschlechtert um das CE-Zeichen zu bekommen. Extrem schnell geschaltete FETs senden starke elektromagnetische Störsignale aus, die den Empfänger, oder andere Elektroniken in der nähe stören können. Bei den meisten Reglern kann man aber die Schaltverluste über die PWM-Frequenz in einem gewissen Bereich einstellen. Rein vom Regler aus betrachtet sollte die PWM-Frequenz so niedrig wie möglich sein. Dennoch verlangt der Motor eine gewisse Mindestfrequenz für die es eine schöne Faustformel gibt. In jedem Kommutierungsschritt des Reglers sollten mindesten 2 komplette PWM-Zyklen platz finden. f_PWM > 12 * ERPM_max / 60 --> ERPM ist die Felddrehzahl und ergibt sich aus der mechanischer Drehzahl und der Polpaarzahl des Motors: RPM * Pol/2. Die maximale Drehzahl kann man aus kv und der maximalen Batteriespannung errechnen: kv * U. -->
f_PWM > 12 * (kv * U_max * Pol/2) / 60
Am tückischsten ist jedoch die Verlustleistung aus dem Freilaufstrom. Die ist der eigentliche Grund, warum unsere Regler bis auf wenige Ausnahmen nicht Teillastfest sind. Diese Verlustleistung entsteht, da der Strom durch die Motorwicklung nicht einfach aufhört zu fließen, auch wenn gerade durch die PWM kein Strom von der Batterie her fließt. Dieser Strom sucht sich seinen Weg durch den Regler und fließt im Kreis wieder in den Motor zurück. D.h. dieser Strom generiert keine Antriebsleistung, aber dafür jede Menge Wärme im Regler. Dabei fließt der Strom über die sog. Body-Diode eines nichtleitenden FETs und erzeugt dort sehr große Wärmemengen. Wenn man das ganze mal durch rechnet kommt man zu dem Ergebnis, dass dies der mit Abstand größte Verlust überhaupt im Regler ist. Es gibt allerdings einen eigentlich sehr leichten Trick, der noch nicht einmal Änderungen an der Hardware erfordert: aktive Gleichrichtung (active freewheeling). Dabei wird der FET, über den der Freilaufstrom fließt leitend geschaltet. Dadurch sink seine Verlustleistung dramatisch. Leider gibt es nur sehr wenige Regler, die das implementiert haben. Wenn also in der Produktbeschreibung irgendwo "active freewheeling" steht, dann ist das ein rießen Pluspunkt für diesen Regler.
Ein weiterer Grund für Reglertod sind die Zwischenkreiskondensatoren. Bei den meisten Reglern sind die in der Praxis eher zu dürftig dimensioniert. Daher kommt ja auch der allgemeine Ratschlag die sofort nachzurüsten. Allerdings gibt es auch da noch weitere, weniger beachtete Komponenten, die dort zu Probleme führen können. Die Kondensatoren sind ein lokaler Puffer für den Regler, da der Zustrom von der Batterie durch einige Punkte begrenzt wird. Zum einen durch die Batterie selber. Je höher der Innenwiderstand der Batterie ist, desto mehr Strom muss (relativ gesehen) von den Kondensatoren kommen. Deswegen tragen auch sehr gute Batterien zu einer höheren Teillastfähigkeit bei. Das zweite ist die Induktion der Zuleitung. Die Zuleitung wirkt wie ein Filter, der verhindert, dass die hochfrequenten Ströme von der PWM durch die Batterie gespeist werden. Je länger diese Zuleitung ist, desto besser wirkt dieser Filter. Deswegen ist es enorm wichtig die Zuleitungen von der Batterie zum Regler so kurz wir irgend möglich zu halten.
Zuletzt ist bei manchen Reglern das interne BEC eine sehr effektiver Selbstzerstörungsmechanismus. In dieser Hinsicht hat es ja der Seaking 180a zu einiger Berühmtheit gebracht. Da bei den meisten Modellbaureglern sog. Logic-Level-FETs zum Einsatz kommen, kann man diese direkt mit den 5-6V des internen BEC treiben und spart sich eine zweite Spannungsversorgung von 12-18V für normale FETs. Problematisch wird das ganze, wenn das interne BEC z.B. durch einen stärkeren Servo übermäßig belastet wird. Wenn man in die Datenblätter typische Ruderservos rein schaut, dann findet man zum Teil Nennströme bis weit über 5A. Gerade bei großen Rudern kann es dann sein, dass sich der Servo diesen Strom auch holt um gegen den Wasserdruck zu arbeiten. Wird das interne BEC aber über seinen Nennstrom belastet, dann bricht die Spannung ein. Ein Spannungseinbruch von einem halben Volt kann da u.u. schon genügen um den Regler zu killen. Am Servo oder Empfänger wird man von dem Spannungseinbruch nichts mitbekommen. Aber da die FETs mit dieser Spannung getrieben werden, sind sie die Leidtragenden. Logic-Level-FETs schalten zwar schon bei 5V sehr gut durch, allerdings steigt deren Widerstand exponentiell an, wenn die Spannung fällt. Bei einem halben Volt Spannungseinbruch am Treiber kann sich der Widerstand schon mal verdoppeln oder verdreifachen. Des entspricht dann einer Vervierfachung bis Verzehnfachung der Leitungsverluste. Passiert das während ohnehin hohe Ströme fließen, dann kann das nicht gut gehen. Deswegen im Zweifel auf das interne BEC verzichten und mit externem BEC oder Empfängerakku fahren.
Gute Nacht,
elims
da ich mich die letzte Wochen sehr intensiv mit dem Thema Eigenbau-Regler für SAW beschäftigt habe, wollte ich meine wichtigsten Erkenntnisse hier mal schriftlich festhalten. Das sind generelle Sachen, die sich eigentlich auf fast alle Regler anwenden lassen und ich wollte alles verstreute Wissen mal an einem Punkt zusammentragen.
Hier sind meine TOP 3 zum Reglertod (abgesehen von Kurzschluss durch Wasser):
Hitzetod MOSFET durch reguläre Überlast
Hitzetod Kodensatoren (Reglerbrand)
Spannungseinbruch am internen BEC
Also was für vorbeugende Maßnahmen kann man treffen, um den eigenen Regler nicht zu grillen? Der springende Punkt bei jedem Regler ist es die Verlustleistung gut genug vom MOSFET weg zu kühlen. Dennoch kann man einige Maßnahmen treffen um zum einen die Verlustleistung zu minimieren, oder die Kühlung zu verbessern.
Das man dem Regler im Boot die bestmögliche Kühlwasserversorgung zu kommen lässt, sollte selbstredend sein. Wenn der Regler mehrere Kühlwasseranschlüsse hat, gerne auch mehrere Kühlwassereinlasse am Rumpf verwenden. Und der Regler sollte der erste Kühlwasserverbraucher sein.
Bei manchen Regler ist der Kühlkörper nicht direkt auf den FETs angebracht, sondern noch ein Schrumpfschlauch dazwischen. Die sollte man so umbauen, dass der Kühlkörper direkt auf den FETs liegt. Je nach Bauart dürfen sich die FETs allerdings nicht über den Kühlkörper kurzschließen. Daher isolierende Kühlkörperanbringung verwenden.
Die Verlustleistung des Reglers setzt sich aus 3 wesentlichen Komponenten zusammen: Den Leitungsverlusten, den Schaltverlusten und den Freilaufverlusten (free wheeling current). Die Leitungsverluste sind durch den Widerstand der FETs bestimmt, sowie durch deren Temperatur und die Treiberspannung. Der Widerstand steigt mit der Temperatur an. Da die meisten unserer Regler sogenannte Logic Level FETs verwenden wird meist die BEC-Spannung (5-6V) auch zum Treiben der FETs verwendet. Bei einem richtig gut designten Regler machen die Leitungsverluste den größten Anteil aus. Hier kann man durch die Einstellung des Reglers leider nicht viel machen.
Etwas anders sieht es bei den Schaltverlusten aus. Die treten immer auf, wenn ein FET ein- oder ausgeschalten wird. Bei modernen FETs und Hochleistungstreibern sind die in der Regel aber ziemlich gering (< 20% der Leitungsverluste). Oft werden die aber absichtlich verschlechtert um das CE-Zeichen zu bekommen. Extrem schnell geschaltete FETs senden starke elektromagnetische Störsignale aus, die den Empfänger, oder andere Elektroniken in der nähe stören können. Bei den meisten Reglern kann man aber die Schaltverluste über die PWM-Frequenz in einem gewissen Bereich einstellen. Rein vom Regler aus betrachtet sollte die PWM-Frequenz so niedrig wie möglich sein. Dennoch verlangt der Motor eine gewisse Mindestfrequenz für die es eine schöne Faustformel gibt. In jedem Kommutierungsschritt des Reglers sollten mindesten 2 komplette PWM-Zyklen platz finden. f_PWM > 12 * ERPM_max / 60 --> ERPM ist die Felddrehzahl und ergibt sich aus der mechanischer Drehzahl und der Polpaarzahl des Motors: RPM * Pol/2. Die maximale Drehzahl kann man aus kv und der maximalen Batteriespannung errechnen: kv * U. -->
f_PWM > 12 * (kv * U_max * Pol/2) / 60
Am tückischsten ist jedoch die Verlustleistung aus dem Freilaufstrom. Die ist der eigentliche Grund, warum unsere Regler bis auf wenige Ausnahmen nicht Teillastfest sind. Diese Verlustleistung entsteht, da der Strom durch die Motorwicklung nicht einfach aufhört zu fließen, auch wenn gerade durch die PWM kein Strom von der Batterie her fließt. Dieser Strom sucht sich seinen Weg durch den Regler und fließt im Kreis wieder in den Motor zurück. D.h. dieser Strom generiert keine Antriebsleistung, aber dafür jede Menge Wärme im Regler. Dabei fließt der Strom über die sog. Body-Diode eines nichtleitenden FETs und erzeugt dort sehr große Wärmemengen. Wenn man das ganze mal durch rechnet kommt man zu dem Ergebnis, dass dies der mit Abstand größte Verlust überhaupt im Regler ist. Es gibt allerdings einen eigentlich sehr leichten Trick, der noch nicht einmal Änderungen an der Hardware erfordert: aktive Gleichrichtung (active freewheeling). Dabei wird der FET, über den der Freilaufstrom fließt leitend geschaltet. Dadurch sink seine Verlustleistung dramatisch. Leider gibt es nur sehr wenige Regler, die das implementiert haben. Wenn also in der Produktbeschreibung irgendwo "active freewheeling" steht, dann ist das ein rießen Pluspunkt für diesen Regler.
Ein weiterer Grund für Reglertod sind die Zwischenkreiskondensatoren. Bei den meisten Reglern sind die in der Praxis eher zu dürftig dimensioniert. Daher kommt ja auch der allgemeine Ratschlag die sofort nachzurüsten. Allerdings gibt es auch da noch weitere, weniger beachtete Komponenten, die dort zu Probleme führen können. Die Kondensatoren sind ein lokaler Puffer für den Regler, da der Zustrom von der Batterie durch einige Punkte begrenzt wird. Zum einen durch die Batterie selber. Je höher der Innenwiderstand der Batterie ist, desto mehr Strom muss (relativ gesehen) von den Kondensatoren kommen. Deswegen tragen auch sehr gute Batterien zu einer höheren Teillastfähigkeit bei. Das zweite ist die Induktion der Zuleitung. Die Zuleitung wirkt wie ein Filter, der verhindert, dass die hochfrequenten Ströme von der PWM durch die Batterie gespeist werden. Je länger diese Zuleitung ist, desto besser wirkt dieser Filter. Deswegen ist es enorm wichtig die Zuleitungen von der Batterie zum Regler so kurz wir irgend möglich zu halten.
Zuletzt ist bei manchen Reglern das interne BEC eine sehr effektiver Selbstzerstörungsmechanismus. In dieser Hinsicht hat es ja der Seaking 180a zu einiger Berühmtheit gebracht. Da bei den meisten Modellbaureglern sog. Logic-Level-FETs zum Einsatz kommen, kann man diese direkt mit den 5-6V des internen BEC treiben und spart sich eine zweite Spannungsversorgung von 12-18V für normale FETs. Problematisch wird das ganze, wenn das interne BEC z.B. durch einen stärkeren Servo übermäßig belastet wird. Wenn man in die Datenblätter typische Ruderservos rein schaut, dann findet man zum Teil Nennströme bis weit über 5A. Gerade bei großen Rudern kann es dann sein, dass sich der Servo diesen Strom auch holt um gegen den Wasserdruck zu arbeiten. Wird das interne BEC aber über seinen Nennstrom belastet, dann bricht die Spannung ein. Ein Spannungseinbruch von einem halben Volt kann da u.u. schon genügen um den Regler zu killen. Am Servo oder Empfänger wird man von dem Spannungseinbruch nichts mitbekommen. Aber da die FETs mit dieser Spannung getrieben werden, sind sie die Leidtragenden. Logic-Level-FETs schalten zwar schon bei 5V sehr gut durch, allerdings steigt deren Widerstand exponentiell an, wenn die Spannung fällt. Bei einem halben Volt Spannungseinbruch am Treiber kann sich der Widerstand schon mal verdoppeln oder verdreifachen. Des entspricht dann einer Vervierfachung bis Verzehnfachung der Leitungsverluste. Passiert das während ohnehin hohe Ströme fließen, dann kann das nicht gut gehen. Deswegen im Zweifel auf das interne BEC verzichten und mit externem BEC oder Empfängerakku fahren.
Gute Nacht,
elims