Lange Leitung?

Normalerweise ist alles klar: Motor ganz vorne, dann der Drehzahlsteller (ESC), Akku weiter hinten. Bei herkömmlichen Modellen passt diese «Raumordnung» und damit meist auch die vorgegebene Kabellänge. Doch was tun, wenn ein Modell ganz anders aussieht, vielleicht weil es mehrere Motoren hat oder der Akku aus Schwerpunktgründen ganz woanders hin muss? In nahezu allen derartigen Fällen müssen zumindest die Kabel verlängert werden.

Jetzt beginnt der Parcours der peinlichen Unsicherheiten: Was bewirkt so eine verlängerte Leitung? Schluckt sie vielleicht eine Menge an Leistung? Beeinträchtigt sie die Fernsteuerfunktionen? Ist es egal, ob die Kabel vor oder nach dem Drehzahlsteller verlängert werden? Bei mehrmotorigen Flugzeugen landet man früher oder später bei der Frage, ob denn für jeden Motor ein eigener

ESC angeschafft werden muss. Und wenn es sich um BEC-Steller handelt: Lassen sich die integrierten Stromversorgungsteile ohne Problem kombinieren? Nun, gehen wir der Reihe nach an.

Der Akku liefert eine Gleichspannung. Damit kann man Drähte zum Glühen und Halb-

leiterkristalle zum Leuchten bringen, aber Motoren bewegen sich damit bestenfalls einen kleinen Ruck weit. Um sie kontinuierlich am Laufen zu halten, bedarf es eines zeitgerechten Polwechsels (Kommutierung). Dies ist eine der zahlreichen Aufgaben des Controllers. Und da es sich beim

Modellflug heute nahezu ausschließlich um dreiphasig gesteuerte Motoren handelt, muss die Batteriegleichspannung erst mal in Drehfeldimpulse überführt werden. Das heisst, die über die Plus-/Minus-Kabel zugeführte Eingangsspannung wird am ESC-Ausgang auf drei Kabel verteilt.

Das bedeutet nun nicht etwa, dass die nunmehr drei Drähte ständig mit nur noch zwei Dritteln der zugeführten Stromstärke beaufschlagt würden. Vielmehr sind es auch ausgangsseitig immer nur zwei Kabel, die gerade Plus und Minus führen, die aber umlaufend in zeitlichem Wechsel. Die Häufigkeit (Frequenz) dieser Schaltvorgänge bleibt bei unseren modellsportlichen Anwendungen übrigens in einem sehr überschaubaren Bereich. Ein 2-Pol-Motor absolviert bei 12000 Umdrehungen pro Minute (U/Min.) gerade mal 200 Kommutierungszyklen. Da die Motoren aber nicht immer nur Voll-«Gas» laufen sollen, werden die umlaufenden Spannungspakete noch mit mehr oder weniger langen Pausen unterbrochen. Man spricht hier von Pulsweitenmodulation (PWM). Das Puls-/Pausenverhältnis wirkt so, als ob die Spannung variiert würde (Drehzahlsteuerung). Dies geschieht wesentlich schneller als die Kommutierung, nämlich üblicherweise mit 8 Kilohertz (kHz). Induktionsarme Motoren benötigen sogar 16 oder 32 kHz,

um mit reduzierter Drehzahl effizient arbeiten zu können.

Die Crux mit den Oberwellen Kommutierung wie auch PWM bringen es allerdings mit sich, dass die Spannung schlagartig ein- beziehungsweise umgeschaltet wird. Das erzeugt Oberwellen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz betragen können und damit schon in die Sphäre der Funkwellen eindringen. Zu Zeiten, als RC-Anlagen noch im Kurzwellenbereich (27, 35 oder 40 MHz) arbeiteten, konnte dies durchaus störungsrelevant werden. Im Zeitalter der 2,4-GHz-Anlagen hat sich das deutlich ent-

schärft. Gleichwohl besteht weiter die Empfehlung, alle drei Adern zwischen ESC und Motor eng beieinander zu führen, dass sich die generierten Magnetfelder gegenseitig aufheben. Man erreicht dies am einfachsten, indem man sie leicht (!) miteinander verdrillt. Allerdings wachsen auch hier die Bäume nicht in den Himmel. Bei zu grosser Kabellänge zwischen Steller und Motor kann die Kommutierungsinformation «verschwimmen». Deshalb sollten auch hier Leitungslängen von ca. 70 cm nicht überschritten werden. Energietechnisch betrachtet ist es ein Unsinn, dass manche

Steller ausgangsseitig mit dünneren Kabeln ausgestattet sind als am (Batterie-) Eingang. Denn, wie bereits erwähnt, ist der Strom auf den Leitungen zum Motor nicht etwa geringer, er kann bei «Teilgas» sogar höher werden, weil durch die PWM generiert ein Freilaufstrom dazukommt. Die Verluste (Pv) auf den Kabeln steigen aber quadratisch mit der momentanen Stromstärke (I), so dass es keinen Sinn macht, auch noch mittels dünnerer Kabel den Widerstand (R) zu erhöhen (Pv = I² * R). Zwar ist der Strom im zeitlichen Mittel kleiner (weil eines der drei Kabel immer wieder

mal «frei» nimmt), doch das ist hier nicht entscheidend. Sinnvoll wäre dies, wenn die Stromdichte in den Kabeln solch hohe Werte erreichen würde, dass ein Schmelzen der Isolierung zu fürchten wäre. Doch davon sind wir beim E-Flug noch ein Stück entfernt. Nur der Vollständigkeit wegen sei erwähnt, dass der gerade stromlose Draht nicht etwa gänzlich funktionslos ist, denn über ihn wird das zur Kommutierung notwendige Signal geleitet, welches dem ESC die Rotorposition und damit den richtigen Zeitpunkt der Kommutierung verrät. Energietechnisch spielt diese Signalgabe aber keine Rolle.

Damit ist nun eigentlich klar, dass die Kabelverlängerung zwischen ESC und Brushlessmotor nicht in gewichtssparender Dünndrahttechnik erfolgen darf, zumal auf dieser Seite ja drei statt zwei Kabel benötigt werden. Das durch die Oberwellen erzeugte Störpotenzial wird durch moderne 2,4-GHz-Empfänger zwar grundsätzlich ausgefiltert, in extremen Fällen kann es aber bei anderen Komponenten der Bordanlage zu Störeinflüssen kommen. Daher sollten Motorkabel nicht zu

lange parallel und schon gar nicht im gleichen Kabelstrang zu RC-Verbindungskabeln verlaufen.

Somit spricht anscheinend alles für eine – wenn nötige – Verlängerung des Kabelstrangs zwischen Batterie und ESC. Doch wie immer, wenn eine allzu einfache Lösung droht, spuckt uns die Physik gerne von hinten in die Suppe. Das liegt in diesem Fall daran, dass die Spannung auf der Batterieleitung gar keine reine Gleichspannung mehr ist, denn aufgrund der vorgängig erwähnten (Zer-) Hackeraktivitäten des Drehzahlstellers überlagert sich ihr eine Wechselspannung. Es handelt sich um Spannungsspitzen, die der Elektronik nicht unbedingt gefallen. Sie auszu-

filtern, ist vorwiegend Aufgabe des Akkus, der ganz nebenbei auch einen Kondensator anscheinlicher Grösse darstellt. Weil dessen Ankopplung über mehr oder weniger lange Kabel und nicht immer optimale Steckverbinder mit Fragezeichen behaftet ist, ist jeder Drehzahlsteller eingangsseitig mit Kondensatoren ausgestattet, welche den Akku wechselstrommässig entlasten. Wenn nun durch lange Akkukabel diese Arbeitsteilung immer ungleicher zulasten dieser Kondensatoren wird, können diese überlastet sein. Daher ist es nötig, sie bei vergrösserten Kabellängen durch parallele Stützkondensatoren zu entlasten. Sinnvollerweise lötet man die Zusatzkondensatoren an der Verlängerungsstelle, wo ohnehin gelötet werden muss, gleich mit ein. Empfohlen wird etwa 220 µF je 10 Zentimeter Verlängerung. Geraten wird häufig, darauf zu achten, dass sogenannt schaltfeste Elektrolytkondensatoren (mit niedrigem ESR-Wert) zum Einsatz kommen. Für den privaten Einzelkäufer dürfte es allerdings nicht ganz einfach sein, hier an die entsprechenden Datenblätter zu kommen. Deshalb folgender Tipp: Zwei kleinere Parallelkondensatoren sind oftmals besser als ein grosser (2 × 220 µF statt 470 µF). Entsprechend sind auch die gängigen Drehzahlsteller bestückt. Dass die Kondensatoren die richtige Spannungsklasse haben müssen, versteht sich von selbst.

Bei Verlängerung der Batterieverbindung besteht auch bei mehrmotorigen Fliegern die Möglichkeit, den ESC unmittelbar in Motornähe zu platzieren, was gewöhnlich auch die Kühlmöglichkeiten verbessert.

Drehzahlsteller sind oftmals teurer als die Motoren, denen sie zuarbeiten. Deshalb drängt sich bei mehrmotorigen Systemen gern die Frage auf, ob nicht ein Steller mehrere Motoren gleichzeitig «bedienen» könnte. Ja, kann er, sofern...! Bei Brushless-Motoren funktioniert allerdings nur die Parallelschaltung. Der höhere Stromdurst des Mehrfachsystems ist dabei das kleinere Problem, vorausgesetzt natürlich, der ESC verträgt den Summenstrom (plus einen kleinen Sicherheitszuschlag). Die Herausforderung dabei stellt die Steuerleitung dar, jene der drei Adern, welche gerade die Kommutierungsinformation überträgt. Da müssen alle Motoren zeitgleich dasselbe Signal liefern. Daraus ergibt sich zwanghaft: Alle Motoren laufen absolut synchron...oder gar nicht. Damit sie auch einigermaßen effizient synchron laufen, sollten alle möglichst exakt die gleiche spezifische Drehzahl (k_v oder n_spez) aufweisen (glauben ist gut, nachmessen ist besser!) und natürlich mit gleichdimensionierten Propellern belastet sein. Selbst bei einer dreimotorigen Maschine (Ju 52) hat das Prinzip tadellos funktioniert.

Die Mehrzahl der handelsüblichen ESC im gängigen Einsatzspektrum für 2s- bis 6s-LiPos verfügt über eine eingebaute Empfängerstromversorgung – bekannt unter dem Kürzel BEC (Battery Eliminator Circuit). Es liefert eine konstante Spannung um 5 V (manchmal sind auch höhere Werte bis 8,5 V einstellbar) für den Betrieb der Empfangsanlage. Wer etwas tiefer in die Tasche greift, bekommt auch Steller mit HV-BEC, welche bei Batterien bis 12s einsatzfähig sind. Die gängige Lehrmeinung lautet hier: Nur ein BEC verwenden, das andere durch Auftrennen der Plusleitung stilllegen! Hierbei werden Ressourcen verschenkt. Es ist daher nicht falsch, beide Systeme zu nutzen, indem man die Plusleitungen durch eingeschleifte Schottky-Dioden voneinander entkoppelt, denn es kann so kein Strom von einer Seite auf die andere abfliessen. Leider ist auch dies nicht ganz koscher, denn Servomotoren verbrauchen nicht nur Strom, sondern sie generieren ihn unter ganz bestimmten Voraussetzungen auch. Solche Rückstromimpulse, die aufgrund der Ventilwirkung der Dioden dann nicht mehr abfliessen, können prozessorgesteuerte RC-Empfänger dazu veranlassen, zu booten und einen Neustart hinzulegen, was, da es während des Fluges passiert,

keiner Vergnügungssteuerpflicht unterliegt. Doch keine Angst, auch hier «schafft ein Kondensator von 2- bis 3-mal 220 µ F bis 470 µ F/10 V die Kuh vom Eis».

Und ausnahmsweise gilt für einmal: Viel hilft viel!

Im Übrigen haben sich Pufferkondensatoren im Empfängerstromkreis auch in Bezug auf andere Störgrössen schon häufig bewährt.

Gewagt, aber keineswegs verwegen ist es, beide BEC-Pluspole einfach direkt zu verbinden. Voraussetzung: Beide Systeme werden zeitgleich ein- und ausgeschaltet und liefern

auf etwa 10 Millivolt (mV) genau (z. B. 5,42 und 5,43 V) dieselbe Spannung, was bei zeitgemässen Serien nicht ungewöhnlich daherkommt. Ein

zusätzlicher Kondensator schadet auch hier nicht.

Text und Bilder:
Ludwig Retzbach