Über Geschichte und Technik der modernen Regler-Elektronik. Auswahlkriterien, Features, Anschluss und Funktion für brushed und brushless.
Auf Grund der Fortschritte in der modernen Elektronik hat man als RC-Fahrer heute ein breites Spektrum an Fahrtenreglern zur Auswahl. Vor allem durch die Entwicklung der entsprechenden Reglertechnologie wurde der Einsatz von bürstenlosen Motoren im RC-Car möglich. An dieser Stelle möchten wir die Funktion des Fahrtenreglers erklären und auch ein wenig die geschichtliche Entwicklung beleuchten: Also vom mechanischen Regler zum Brushless-Regler...
Regler für Gleichstrommotoren mit Bürsten – „Brushed“
Die Anforderung an den Regler ist bei dieser Aufgabenstellung recht einfach: Je höher die an den Motor angelegte Spannung U (in Volt), desto schneller die Drehzahl n (in Umdrehungen pro Minute) des Motors. Die Drehrichtung des Motors ergibt sich auf Grund der Polarität dieser Spannung. Soll der Motor gebremst werden, reicht es die Motorklemmen kurz zu schließen. Die Spannung aus dem Hauptakku ist also entsprechend des Kommandos vom Sender bzw. Empfänger zu dosieren:
Technisch gesehen ist damit der „brushed“ Fahrtenregler kein Regler, sondern ein Spannungs- bzw. Drehzahlsteller.
Mechanischer Fahrtenregler
Der mechanische Regler ist der Urahn aller Fahrtenregler. Mittels eines (zusätzlichen) Servos wird dabei am Regler ein Schleifkontakt verdreht. Damit wird ein elektrischer Widerstand zu- oder weggeschalten, sodass sich die am Motor angelegte Spannung verändert. Einfach und effektiv, allerdings mit folgenden herben Nachteilen behaftet:
Bildquelle: Robbe
In seltenen Fällen wird der mechanische Regler noch bei Modellbausätzen beigelegt. Trotzdem ist er ein Relikt aus Zeiten, wo
Elektrischer Fahrtenregler (für „brushed“ Motoren)
Funktion
Hier erfolgt die „Dosierung“ der Spannung im Normalfall durch die sogenannte Pulsweitenmodulation (kurz PWM, siehe Grafik, Quelle: Stiftung Modellflugsport Schweiz): Ein Schalter ist dabei abwechselnd voll
sperrend oder voll durchgeschaltet. Der Vorgang erfolgt sehr schnell, das Resultat ist eine „mittlere Spannung Um“ die sich auf Grund des Verhältnisses der „Dauer der Sperre - taus“ und der „Dauer der Öffnung - tein“ ergibt.
Ein entscheidender Faktor bei diesem Verfahren ist die Dauer (bzw. die Frequenz) mit der die Modulation betrieben wird: Die Grundfrequenz muss vom Reglerhersteller ausreichend hoch (bzw. die Dauer ausreichend kurz) gewählt werden, sodass der Motor das „ein und ausschalten der Spannung“ nicht mehr (als solches) erkennen kann – sondern entsprechend der mittleren Spannung seine Drehzahl ruhig hält.
Ein Regler für Gleichstrommotoren (mit Bürsten !!!) erzeugt also KEINE Steuerkommandos oder Steuersignale. Ganz im Gegenteil...
Auswahlkriterien, technisch
Betriebsspannung: Natürlich muss der Fahrtenregler für die Betriebsspannung (in Volt) des Akkus geeignet sein. Entscheidend ist dabei klarerweise die Anzahl der Zellen des Akkus.
Motor bzw. Wicklungszahl des Motors: Je geringer die Anzahl der Wicklungen (oder Turns) des Motors, desto größer seine Leistung. Desto größer auch die Stromstärke die er „zieht“. Eine althergebrachte Faustregel lautet daher, dass der Regler mindestens einen Turn weniger verkraften können muss als der zu betreibende Motor hat...
Beispiel:
Regler freigegeben bis 17 Turns. Motor 15 Turns. NICHT OK.
Regler freigegeben bis 17 Turns. Motor 17 Turns. Keinerlei Reserven für den Regler.
Regler freigegeben bis 15 Turns. Motor 17 Turns. OK.
Diese Faustregel hat leider den Nachteil, dass die Angabe mit der Windungszahl sehr ungenau ist: 2 Motoren mit gleicher Windungszahl können durchaus eine erheblich andere Belastung für den Regler darstellen.
Auch die Baugröße des Motors ist in diesem Zusammenhang wichtig. Werden keine weiteren Angaben gemacht, so beziehen die Turn-Limits sich auf einen Motor der Baugröße 540.
Weiters ist wichtig: Alle Angaben zur Leistungsfähigkeit eines Reglers haben einen Bezug zur Spannung. Jeder Regler hat z.B. bei einer Betriebsspannung von 7,2V ein höheres Motorlimit (... geringere zulässige Turnzahl...) als bei 11,1V. Wird die Spannung nicht ausdrücklich genannt, so sind in der Regel 7,2V gemeint.
Zulässige Stromstärke: Diese wird besonders bei höherwertigen Reglern anstelle der zulässigen Wicklungszahl angegeben. Wichtig sind die zulässige Dauerbelastbarkeit und die kurzzeitige Spitzenbelastbarkeit (jeweils in Ampere).
Will man also einen Motor mit 140 Watt Leistung an einem Akku mit 7,4 Volt betreiben, so muss der Regler eine zulässige Dauerbelastung von mindestens
I = P / U = 140 W / 7,4 V = 18,9 Ampere
aufweisen. Da bei blockierendem Motor viel höhere Ströme auftreten können (Blockierstrom des Motors), muss die zulässige - kurzzeitige Spitzenbelastung des Reglers sehr viel höher liegen als die Dauerbelastbarkeit.
Wichtig sind daher beide Kriterien:
*) Diese Aussage gilt unter der Annahme, dass sich die Angaben des jeweiligen Herstellers auf die Belastungsgrenze des Reglers beziehen. Der Regler wäre nach Überschreitung dieser Grenze quasi defekt. Verfügt der Regler jedoch über eine Überwachungsschaltung - so kann diese (Überwachungsschaltung) eine zu starke Stromaufnahme (durch Blockieren des Motors) erkennen. Wenn der Regler über eine solche Einrichtung verfügt, ist es wichtig, dass der Regler nicht überdimensioniert ist. Dann gilt nämlich:
Andernfalls würde der Regler das Blockieren des Motors einfach nicht erkennen. Hier steckt leider der Teufel im Detail. Es hilft nur, sich vorab zu informieren. Oft kann man bereits vor dem Kauf des Reglers die Betriebsanleitung (auf der Homepage des Herstellers) downloaden und diese Informationen nachlesen.
Diese Überwachungsschaltung darf auch nicht mit der Temperaturabschaltung des Reglers verwechselt werden: Die Temperaturabschaltung ist in der Regel eher träge und löst überhaupt nur dann aus, wenn der Regler "etwas länger" überlastet wurde. Zum Beispiel dadurch, dass ein zu starker Motor am Regler hängt. Oder die Getriebeübersetzung für den Motor ungünstig gewählt wurde.
Auf Grund der Fortschritte in der modernen Elektronik hat man als RC-Fahrer heute ein breites Spektrum an Fahrtenreglern zur Auswahl. Vor allem durch die Entwicklung der entsprechenden Reglertechnologie wurde der Einsatz von bürstenlosen Motoren im RC-Car möglich. An dieser Stelle möchten wir die Funktion des Fahrtenreglers erklären und auch ein wenig die geschichtliche Entwicklung beleuchten: Also vom mechanischen Regler zum Brushless-Regler...
- Regler für Gleichstrommotoren mit Bürsten - "Brushed"
- Mechanischer Fahrtenregler
- Elektrischer Fahrtenregler (für "brushed" Motoren)
- Funktion
- Auswahlkriterien, technisch
- Auswahlkriterien, Features und Goodies
- Schottky-Diode
- Powerkondensator
- Regler für bürstenlose Gleichstrommotoren - "Brushless"
- Funktion
- Sensored und Sensorless
- Auswahlkriterien
- Timing
- Kaufempfehlungen
Regler für Gleichstrommotoren mit Bürsten – „Brushed“
Die Anforderung an den Regler ist bei dieser Aufgabenstellung recht einfach: Je höher die an den Motor angelegte Spannung U (in Volt), desto schneller die Drehzahl n (in Umdrehungen pro Minute) des Motors. Die Drehrichtung des Motors ergibt sich auf Grund der Polarität dieser Spannung. Soll der Motor gebremst werden, reicht es die Motorklemmen kurz zu schließen. Die Spannung aus dem Hauptakku ist also entsprechend des Kommandos vom Sender bzw. Empfänger zu dosieren:
- Schnell fahren – Viel Spannung an den Motor anlegen.
- Langsam fahren – Wenig Spannung an den Motor anlegen.
- Retour fahren – Polarität der Spannung am Motor umdrehen, d.h. (+) und (-) am Motor vertauschen.
- Bremsen – (+) und (-) des Motors verbinden.
Technisch gesehen ist damit der „brushed“ Fahrtenregler kein Regler, sondern ein Spannungs- bzw. Drehzahlsteller.
Mechanischer Fahrtenregler
Der mechanische Regler ist der Urahn aller Fahrtenregler. Mittels eines (zusätzlichen) Servos wird dabei am Regler ein Schleifkontakt verdreht. Damit wird ein elektrischer Widerstand zu- oder weggeschalten, sodass sich die am Motor angelegte Spannung verändert. Einfach und effektiv, allerdings mit folgenden herben Nachteilen behaftet:
- Großer Platzbedarf im Auto
- Geringe Belastbarkeit des Reglers
- Schlechte Dosierbarkeit (normalerweise nur 3 Stufen – langsam, mittel, schnell)
- Schlechter Wirkungsgrad des Systems, da die „überschüssige“ Spannung am Widerstand „verheizt“ wird (in diesem Zusammenhang wörtlich gemeint)
- Beim Bremsen wurde im Prinzip der Retourgang eingelegt. Mit freundlichen Grüßen an das Getriebe...
Bildquelle: Robbe
In seltenen Fällen wird der mechanische Regler noch bei Modellbausätzen beigelegt. Trotzdem ist er ein Relikt aus Zeiten, wo
- ... der Akku um die 1000mAh hatte.
- ... man unter Tuningmotor die 540iger Silberbüchsen statt der 380iger Motoren verstand.
Elektrischer Fahrtenregler (für „brushed“ Motoren)
Funktion
Hier erfolgt die „Dosierung“ der Spannung im Normalfall durch die sogenannte Pulsweitenmodulation (kurz PWM, siehe Grafik, Quelle: Stiftung Modellflugsport Schweiz): Ein Schalter ist dabei abwechselnd voll
sperrend oder voll durchgeschaltet. Der Vorgang erfolgt sehr schnell, das Resultat ist eine „mittlere Spannung Um“ die sich auf Grund des Verhältnisses der „Dauer der Sperre - taus“ und der „Dauer der Öffnung - tein“ ergibt.
Ein entscheidender Faktor bei diesem Verfahren ist die Dauer (bzw. die Frequenz) mit der die Modulation betrieben wird: Die Grundfrequenz muss vom Reglerhersteller ausreichend hoch (bzw. die Dauer ausreichend kurz) gewählt werden, sodass der Motor das „ein und ausschalten der Spannung“ nicht mehr (als solches) erkennen kann – sondern entsprechend der mittleren Spannung seine Drehzahl ruhig hält.
Ein Regler für Gleichstrommotoren (mit Bürsten !!!) erzeugt also KEINE Steuerkommandos oder Steuersignale. Ganz im Gegenteil...
Auswahlkriterien, technisch
Betriebsspannung: Natürlich muss der Fahrtenregler für die Betriebsspannung (in Volt) des Akkus geeignet sein. Entscheidend ist dabei klarerweise die Anzahl der Zellen des Akkus.
Motor bzw. Wicklungszahl des Motors: Je geringer die Anzahl der Wicklungen (oder Turns) des Motors, desto größer seine Leistung. Desto größer auch die Stromstärke die er „zieht“. Eine althergebrachte Faustregel lautet daher, dass der Regler mindestens einen Turn weniger verkraften können muss als der zu betreibende Motor hat...
Beispiel:
Regler freigegeben bis 17 Turns. Motor 15 Turns. NICHT OK.
Regler freigegeben bis 17 Turns. Motor 17 Turns. Keinerlei Reserven für den Regler.
Regler freigegeben bis 15 Turns. Motor 17 Turns. OK.
Diese Faustregel hat leider den Nachteil, dass die Angabe mit der Windungszahl sehr ungenau ist: 2 Motoren mit gleicher Windungszahl können durchaus eine erheblich andere Belastung für den Regler darstellen.
Auch die Baugröße des Motors ist in diesem Zusammenhang wichtig. Werden keine weiteren Angaben gemacht, so beziehen die Turn-Limits sich auf einen Motor der Baugröße 540.
Weiters ist wichtig: Alle Angaben zur Leistungsfähigkeit eines Reglers haben einen Bezug zur Spannung. Jeder Regler hat z.B. bei einer Betriebsspannung von 7,2V ein höheres Motorlimit (... geringere zulässige Turnzahl...) als bei 11,1V. Wird die Spannung nicht ausdrücklich genannt, so sind in der Regel 7,2V gemeint.
Zulässige Stromstärke: Diese wird besonders bei höherwertigen Reglern anstelle der zulässigen Wicklungszahl angegeben. Wichtig sind die zulässige Dauerbelastbarkeit und die kurzzeitige Spitzenbelastbarkeit (jeweils in Ampere).
Will man also einen Motor mit 140 Watt Leistung an einem Akku mit 7,4 Volt betreiben, so muss der Regler eine zulässige Dauerbelastung von mindestens
I = P / U = 140 W / 7,4 V = 18,9 Ampere
aufweisen. Da bei blockierendem Motor viel höhere Ströme auftreten können (Blockierstrom des Motors), muss die zulässige - kurzzeitige Spitzenbelastung des Reglers sehr viel höher liegen als die Dauerbelastbarkeit.
Wichtig sind daher beide Kriterien:
- Die durchschnittliche Stromaufnahme des Motors muss kleiner sein als die zulässige Dauerbelastung des Reglers.
- Die maximale Stromaufnahme des Motors (Blockierstrom) muss kleiner sein als die zulässige kurzzeitige Belastbarkeit des Reglers. *
*) Diese Aussage gilt unter der Annahme, dass sich die Angaben des jeweiligen Herstellers auf die Belastungsgrenze des Reglers beziehen. Der Regler wäre nach Überschreitung dieser Grenze quasi defekt. Verfügt der Regler jedoch über eine Überwachungsschaltung - so kann diese (Überwachungsschaltung) eine zu starke Stromaufnahme (durch Blockieren des Motors) erkennen. Wenn der Regler über eine solche Einrichtung verfügt, ist es wichtig, dass der Regler nicht überdimensioniert ist. Dann gilt nämlich:
- Die maximale Stromaufnahme des Motors (Blockierstrom) muss größer sein als die zulässige kurzzeitige Belastbarkeit des Reglers.
Andernfalls würde der Regler das Blockieren des Motors einfach nicht erkennen. Hier steckt leider der Teufel im Detail. Es hilft nur, sich vorab zu informieren. Oft kann man bereits vor dem Kauf des Reglers die Betriebsanleitung (auf der Homepage des Herstellers) downloaden und diese Informationen nachlesen.
Diese Überwachungsschaltung darf auch nicht mit der Temperaturabschaltung des Reglers verwechselt werden: Die Temperaturabschaltung ist in der Regel eher träge und löst überhaupt nur dann aus, wenn der Regler "etwas länger" überlastet wurde. Zum Beispiel dadurch, dass ein zu starker Motor am Regler hängt. Oder die Getriebeübersetzung für den Motor ungünstig gewählt wurde.
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