Ťažký „život“ kondenzátorov v striedavých regulátoroch
Mali sme pre tento článok pripravený ešte iný názov: „Prúdy tečúce kondenzátorom v striedavom regulátore“, ale ten sa nám zdal byť voči skutočnosti málo „dramatický“.
Sme si vedomí toho, že tento článok sa môže javiť zaujímavým len pre pár modelárov, ale každý, kto chce mať lepšiu predstavu o zaťažení (a tým pádom o spoľahlivosti) jednotlivých súčiastok v obvode elektropohonu, uzná, že namerané hodnoty môžu byť priam dych-vyrážajúce.
Nikoho zrejme neprekvapuje, že spínacími tranzistormi 20 Ampérového regulátora potečie prúd 20 A a v špičkách aj viac. Ale že by ten elektrolytický kondenzátor, ktorý sa mnohým môže zdať ak nie zbytočný, tak prinajmenšom nepodstatný, mohol byť nejak výraznejšie „namáhaný“, tomu sa dá ťažko veriť. A predsa!
autor: Janko O.
Zaujímalo nás, aké prúdy týmto kondenzátorom, ktorý býva niekedy nazývaný „rekuperačný“, v skutočnosti tečú. Na vysvetlenie: rekuperácia v elektropohone je (žiadúci) jav, keď časť energie dodanej do motora, ktorá by inak nebola zmysluplne využiteľná, je vrátená späť do batérie (zdroja energie).
Rekuperačný kondenzátor býva zapojený v bezprostrednej blízkosti samotného regulátora (jeho výkonovej – spínacej časti), aby tak elektrický prúd „necestoval“ zbytočne vodičmi medzi regulátorom a vzdialenou pohonnou batériou.
Kondenzátor je súčiastka schopná energiu elektrického prúdu uchovať v podobe elektrostatického poľa (nabíjanie) a toto pole, v prípade potreby, zase spätne premeniť na elektrický prúd (vybíjanie). A tak regulátor rekuperačnú energiu na chvíľu uloží do kondenzátora, aby si ju vzápätí zase „vyzdvihol“. Táto obojsmerná „transakcia“ väčšinou prebehne 8000-krát za sekundu, u lepších regulátorov aj častejšie.
Keby bolo možné pohonnú batériu pripojiť veľmi tesne k regulátoru, rekuperačný kondenzátor by zrejme nebol potrebný. „Transakcia“ by prebiehala priamo medzi regulátorom a pohonnou batériou.
Ale keďže väčšinou batériu nie je možné umiestniť v tesnej blízkosti regulátora, bez použitia kondenzátora.jpg)
by vplyvom indukčnosti prívodných káblov a vďaka charakteru prúdu nimi tečúcim, vznikali napäťové špičky, ktoré by mohli viesť ku zničeniu (prerazeniu) spínacích tranzistorov.
V predchádzajúcom odstavci bol charakter prúdu spomenutý ako významný faktor ohrozujúci spínacie tranzistory regulátora. Pripomeňme, že čím bude prúd väčší a čím rýchlejšie bude meniť svoju hodnotu (jeho priebeh bude strmší), tým bude nežiadúce (tranzistory ohrozujúce) naindukované napätie vyššie.
Aby sme pochopili, ako sa môže naindukovať "nejaké" napätie, je treba si ukázať, ako v obvode elektropohonu tečie elektrický prúd. Nasledujúca schéma ukazuje situáciu pri privedení elektrického prúdu (červené šípky) z batérie (a z rekuperačného kondenzátora) do cievky motora, zapojenej medzi vývody 1 a 2 (zopnuté sú tranzistory T3 a T6).
Po rozopnutí tranzistorov T3 a T6 (alebo aspoň jedného z nich) sa na cievke motora medzi vývodmi 1 a 2 objaví napätie opačnej polarity (motor sa na okamih stane zdrojom a nabíja batériu aj kondenzátor), ako napätie, ktoré pred chvíľou vyvolalo elektrický prúd motorom (červená šípka úplne vpravo na hornom obrázku). A tak prúd (modré šípky) bude teraz tiecť cez tzv. substrátové diódy (D4 a D5). Situácia je zobrazená na nasledujúcej schéme.
Aby sme mohli merať prúd (Irc), ktorý pulzuje rekuperačným kondenzátorom (C1), tak sme do jedného jeho vývodu (na schémach zobrazené symbolom Ampérmetra) zaradili prúdový senzor Allegro typu ACS758-050B. Jeho šírka pásma je 120 kHz, čo by na uspokojivé sledovanie priebehu prúdu mohlo postačovať. Vývody sme použili najkratšie, aké sa dali ešte pripojiť, cez to všetko sme zistili, že aj táto relatívne malá sľučka (pol-závit v tvare U) zrejme ovplyvnila tvar i veľkosť sledovaného prúdu. Zistili sme to tak, že ak sme vývody meracieho prípravku na jednej i druhej strane predĺžili len o 1 cm, badateľne sa zmenšila strmosť pozorovaného prúdu a aj jeho amplitúda.
A čo sme teda namerali, alebo lepšie povedané „spozorovali“, či vysledovali? Nuž, merajte, pozorujte a sledujte s nami. Obrázky sú okomentované, takže to nebude ťažké.
Na naše pokusy sme použili akýsi NONAME regulátor, tak 25 či 30 A.
Najskôr sme nastavili také podmienky, že elektropohon z batérie odoberal asi 1/5 maximálneho prúdu, čiže 5 Ampérov:
Potom sme trochu pridali na 10 Ampérov:
Ďalej sme nastavili 15 Ampérov:
A ešte sme zvýšili na 20 Ampérov:
A potom sme dali „naplno“, čiže asi 25 Ampérov:
Priebeh sa výrazne zmenil, tak sme osciloskop prepli a videli sme toto:
Pravdu povediac, nečakali sme, že rekuperačným kondenzátorom budú tiecť až tak vysoké prúdy. Navyše veľkosť týchto prúdov je závislá od činiteľa plnenia (duty cycle) PWM.
Najhoršie je to asi v polovici, teda pri duty cycle = 50 %, keď sú doby zopnutia a rozopnutia tranzistorov rovnaké. Pri plnom plyne PWM zanikne, kondenzátorom tečú len prúdy spôsobené nepravidelnými špičkami, ktorých existenciu sme si zpočiatku nedokázali zdôvodniť (predpokladali sme už trochu "pošahaný" regulátor). Neskôr, na základe diskusie na RC Mánii, celkom prijateľné vysvetlenie priniesol coro, ktorý to zdôvodnil nízkym naindukovaným napätím motora, ktorý má vysokú konštantu Kv. Niektorým (nie čínskym) regulátorom môže byť takáto úroveň naindukovaného napätia nedostatočná na identifikáciu presnej polohy rotora voči statoru. Z toho vyplýva záver, že nie každému regulátoru musí vyhovovať každý motor. Niekedy je nutné tú správnu kombináciu nájsť metódou pokus - omyl.
Pomerne vysoké namerané prúdy sú dôkazom významného zaťaženia týchto kondenzátorov, čo sa isto podpisuje na ich skrátenej životnosti (postupnou alebo náhlou stratou kapacity). Je zrejmé, že na tieto pozície je nutné osadzovať kvalitné kondenzátory s nízkym stratovým (sériovým) odporom - Low ESR (ESR = (Equivalent Serial Resistance) nízky ekvivalentný sériový odpor). Pri takých prúdoch, aké týmito kondenzátormi tečú, by sa na vyššom ESR prúd menil na nezanedbateľné teplo, ktoré by ďalej skracovalo životnosť týchto súčiastok.
Ak by sme mali urobiť záver, tak by sme skonštatovali, že prúdové špičky tečúce kondenzátorom bežne dosahujú asi polovicu nominálneho prúdu daného regulátora (napr. 15 Ampérové špičky pri 30 Ampérovom regulátore). Pri dlhších vodičoch a „mäkšej“ batérii (baléria, ktorá má väčší vnútorný odpor Ri) to môže byť ešte viac.
Myslíme si, že v záujme eliminácie (rušivého) vyžarovania dlhších vodičov medzi batériou a regulátorom, má zmysel ich realizovať ako krútené,
a pre zníženie (na indukčnosti prívodných vodičov naindukovaných) napäťových špičiek prípadne doplniť ďalším kondenzátorom.
Netrúfame si radšej ani pomyslieť, aké prúdy rekuperačnými kondenzátormi tečú vo výkonných regulátoroch. Že to je naozaj dosť, a že sa o tento „ťažký údel“ musí deliť niekoľko kondenzátorov, ukazujú sprievodné obrázky.
Súvisiace články:
Prúdy tečúce elektromotorom pri rôznych letových režimoch
Využitie prúdových senzorov v modelárskej praxi
Priebehy prúdov a napätí v obvode elektropohonu
Prehrievanie regulátorov pri rôznych letových režimoch
Rušenie spôsobené regulátorom (ESC)
shape and size of electric current through a capacitor in an alternating AC controller ESC lifetime durability forma e le dimensioni di corrente elettrica attraverso un condensatore in alternata resistenza controller vita AC ESC form och storlek på elektrisk ström genom en kondensator på ett växlande AC regulator ESC livstid hållbarhet forma y el tamaño de la corriente eléctrica a través de un condensador en una durabilidad de por vida alterna AC controlador CES Форма и размер электрического тока через конденсатор в переменном прочность AC контроллер жизни ESC forma eo tamanho da corrente elétrica através de um capacitor em um controlador AC durabilidade alternando vida CES kształt i wielkość prądu elektrycznego przez kondensator zmienny AC trwałość przez cały okres kontroler ESC form og størrelse på elektrisk strøm gjennom en kondensator i et vekslende AC-kontroller ESC levetid holdbarhet Form und Größe des elektrischen Stromes durch einen Kondensator in einer alternierenden AC Controller ESC lebenslange Haltbarkeit alakja és mérete, az elektromos áram segítségével a kondenzátor váltakozó hálózati vezérlő ESC élettartam tartósság vorm en grootte van de elektrische stroom door een condensator in een wisselspanning AC-controller ESC levenslange duurzaamheid forme et la taille du courant électrique à travers un condensateur dans une durabilité à vie alternatif AC contrôleur ESC muoto ja koko sähkövirran avulla kondensaattori vuorotellen AC valvoja ESC koko kestävyys käyttöiän form og størrelse af elektrisk strøm gennem en kondensator i en vekslende AC controller ESC livsvarig holdbarhed شكل وحجم التيار الكهربائي من خلال مكثف في وحدة تحكم الايطالي بالتناوب المتانة حساب الضمان مدى الحياة הצורה והגודל של זרם חשמלי דרך קבל בבקר לסירוגין עמידות AC חיים ESC