Priebehy prúdov a napätí v obvode elektropohonu
Občas sa na modelárskych fórach niekto "pochváli", že mu odišiel regulátor striedavého motora.
Vraj preto, že mal príliš dlhé silové vodiče medzi batériou a regulátorom.
Zaujímalo nás, či sa to naozaj môže stať.
autor: Janko O.
Najčastejšie pred príliš dlhými káblami spojujúcimi batériu a regulátor striedavého motora varuje odborník, ktorého názor si veľmi vážime a ktorý na modelárskych fórach vystupuje pod nickom "coro". Pretože my sami modely, v ktorých by dĺžka takejto kabeláže prekračovala únosné medze, zatiaľ nemáme, dalo by sa povedať, že nás to nemusí trápiť. Ale možno tento problém trápi iných modelárov, ktorí nemajú zodpovedajúce prístrojové vybavenie na to, aby si skutočnosť overili "na vlastnej koži".
Ako regulátory modelárskych motorov (či už jednosmerných alebo striedavých) riadia veľkosť a tvar elektrického prúdu privádzaného do motora, popisujú články "Snímanie otáčok elektromotorov" a "Prehrievanie regulátorov pri rôznych letových režimoch". Prúd je vďaka použitiu PWM (Pulse Width Modulation) "rozsekaný" na prúdové impulzy, ktorých frekvencia najčastejšie býva 8 alebo 16 kHz. Striedavý regulátor musí okrem "rozsekania" ešte navyše vytvoriť trojfázový striedavý prúd, takže aj keď sú otáčky nastavené "na plno", tak na jeho výstupe budú prúdové impulzy, na rozdiel od jednosmerného regulátora, ktorý vtedy prepúšťa prúd bez prerušovania medzerami.
Takže sme prístroje zapojili podľa schémy a priebehy napätí a prúdov sme sledovali na osciloskope. Treba podotknúť, že parametre osciloskopu sú dostačujúce, pretože umožňuje sledovať frekvencie až do 200 MHz, ale užšie prenášané pásmo majú prúdové senzory, ktorých horný prenášaný kmitočet je 35 kHz. Použil som prúdový senzor ACS754-150, ktorý umožňuje merať prúdy obidvomi smermi až do hodnoty 150 Ampérov. Skvelou vlastnosťou tejto súčiastky je extrémne nízky priechodzí odpor, ktorý je 100 mikroOhmov, teda 0,1 miliOhmu. Senzor totiž pracuje na princípe Hallovho efektu.
Najskôr sme sledovali tvar prúdových impulzov medzi striedavým regulátorom a motorom, aby sme viac-menej potvrdili, že prax sa zhoduje s teóriou. Pretože z elektrického hľadiska má motor indukčný charakter, tak eventuálne pravouhlé napäťové impulzy spôsobia, že tvar prúdu bude exponenciálne narastať ale aj exponenciálne klesať.
Výsledný tvar prúdových impulzov bude teda skôr pripomínať pekne ostré žraločie zuby, ktorých šírku (a tým aj výšku) v podstate ovplynňuje regulátor tak, aby stredná hodnota tohoto prúdu v konečnom dôsledku aspoň trochu pripomínala sínusový priebeh. Frekvencia prúdových impulzov bola vždy asi 7,9 kHz, frekvencia strednej hodnoty "kvazisínusového" prúdu (desiatky až stovky Hz) závisela od toho, na aké otáčky sme chceli motor roztočiť.
Takže tu nám merania žiadne veľké prekvapenia nepriniesli, ale potom sme začali snímať tvar napätia a aj prúdu v obvode spojujúcom batériu s regulátorom. A to už bolo niečo iné a dá sa povedať aj prekvapujúce. Tvar zosnímaných prúdových impulzov je na nasledújúcom obrázku a (zdanlivo) ukazuje, že obvodom tečie len prúd z batérie do regulátora, nie naopak.
Prúd nie je kontinuálny, ale opäť sa jedná o prúdové impulzy s frekvenciou asi 7,9 kHz. Prekvapenie ale prinislo sledovanie napätia (medzi vodičmi plus a mínus) na prívodoch z batérie do regulátora. Objavili sa tam totiž veľmi výrazné napäťové špičky významne presahujúce úroveň napájacieho napätia.
Prečo tieto špičky nezaznamenal prúdový senzor? Nuž zrejme preto, že sú také úzke, že ich frekvenčné spektrum sa nachádza vyššie ako 35 kHz, čo je maximálny prenášaný kmitočet prúdových senzorov ACS754-150.
Takéto pomerne veľké a veľmi úzke impulzy môžu byť významným zdrojom rušenia, obzvlášť v pásmach 35 a 40 MHz, tak ako je to popísané v článku "Rušenie spôsobené regulátorom (ESC)".
Treba zdôrazniť, že veľkosť týchto úzkych impulzov môže byť väčšia keď:
- výrobca v regulátore použije nekvalitné elektrolytické kondenzátory (nie Low ESR)
- tieto kondenzátory začnú vyschýňať
- batéria bude s regulátorom prepojená dlhými silovými vodičmi (ktoré sa tiež javia ako indukčnosť a tá špicaté impulzy priam miluje).
A tak sa naozaj môže stať, že súhra niekoľkých nepriaznivých okolností (napr. vyschnutý kondenzátor v regulátore a dlhé vodiče) možno nespôsobí rušenie RC súpravy v pásme 2,4 GHz (ale v pásme 35/40 MHz asi ano), ale úzke napäťové špičky, dosahujúce amplitúdu aj desiatok Voltov, môžu preraziť spínacie MOS-FET tranzistory v regulátore.
.jpg)
Ale ako tomu zabrániť? No, pre bežného modelára, bez elektrotechnických vedomostí a zodpovedajúceho vybavenia to môže byť "trochu" problém, ale pokúsme sa naznačiť, ako na to. Takže naozaj, používať čo najkratšie (skrútené) silové vodiče spojujúce batériu s regulátorom. Ale ak to konštrukcia modelu nedovoľuje a dlhá kabeláž je nutným zlom, treba používať regulátory s kvalitnými kondenzátormi. Áno, to sa ľahko povie (aj napíše), ale horšie realizuje. Vhodnejšie sú regulátory, ktoré majú nie jeden, ale niekoľko kondenzátorov. Pravdepodobnosť, že vyschnú všetky súčasne je menšia, ako že vyschne jeden (jediný). Ďalšou možnosťou je použiť paralelnú kombináciu externého elektrolytického (Low ESR) kondenzátora a keramického kondenzátora, zapojeného medzi vývody plus a mínus, tak ako je to zobrazené na obrázku.
.jpg)
Externé súčiastky by mali byť zapojené čo najtesnejšie k regulátoru.
Súvisiace články:
Prehrievanie regulátorov pri rôznych letových režimoch