9.0 Der Y6 Multicopter Schaltplan

Bald taucht die Frage auf wie wir die Komponenten miteinander verschalten. Wir wissen noch nicht wie viele Akkus wir einsetzen, und wie genau die Elektronik verkabelt wird, aber die folgende Grafik gibt erste Anhaltspunkte was, wie mit wem verschaltet werden könnte.

Schaltplan Leistungsteil (Version 4)

Aktuell schaut das so aus: Wir trennen die Strom-Kreisläufe. Es wird nicht mehr alles aus den Flugakkus versorgt. Die primäre Bordelektronik – Empfänger,  Flightcontroller, Kompass und GPS – auf dem Plan rot hingelegt – erhält eine eigene Spannungsversorgung und wird vom Leistungsteil (weißer Bereich) getrennt. Diese Modifikation wird durch Verwendung von Stellern mit Optopopplern sowieso nötig. Einen dritten eigenständigen Stromkreis – auf dem Plan grün hinterlegt – bilden die sekundären Komponenten Kamera-Gimbal, Beleuchtung, Fahrwerk etc.

Der senkrechte graue Kasten ist die Stromverteilerplatte für den Leistungsteil:

Die Spannungsversorgung des UAV Gesamtsystems mit seinen drei galvanisch getrennten Stromkreisen.

Die Spannungsversorgung des UAV Gesamtsystems mit seinen drei galvanisch getrennten Stromkreisen.

Der Übersichtlichkeit halber zeichnen wir zwei Pläne. Einen mit Fokus auf den Leistungsteil/Spannungsversorgung  und einen der den Steuerteil detaillierter darstellt:

Schaltplan Steuerteil

Der Schaltplan für den Steuerteil zeigt wie der Pixhawk mit dem Empfänger, den Stellern und der Spannungsversorgung verschaltet wird. Der Übersicht halber habe ich mich auf die wesentlichen Verbindungen beschränkt. Andere Peripherie wie Buzzer, Schalter, GPS und Kompass kann man bequem der originalen Anleitung für den PIXHAWK Flightcontroller entnehmen. Die Steller sind den Motoren wie im Kapitel 11.0 „Drehrichtung der Propeller und Motoren“ beschrieben zugeordnet.

Die Sache mit den Spannungsreglern (BEC)

Spätenstens wenn man die ersten Komponenten vor Augen hat fällt auf das es unterschliedliche Spannungen im System gibt:

  • Empfänger Graupner GR-24: 5V
  • Bordrechner: 5V
  • Motoren: 22,2 V
  • Flugakku : 6s = 6*3,7V = 22,2 V

Siehe auch 7.2.5 Akkukonfiguration

Der Flugakku ist für die Anforderungen der Motoren ausgelegt. Um die anderen Anforderungen zu erfüllen müssen entweder separate Akkus mit passender Spannung benutzt werden, oder die Spannung vom Motorakku muss passend gemacht werden. Das  geschieht über Spannungsregler (BEC – Switching Battery Elimination Circuit).

Lineare BEC sind recht uneffektiv da sie die nicht benötigte Spannung einfach über einen Widerstand reduzieren und in Wärme umwandeln. Getaktete BEC (SBEC) arbeiten ähnlich wie Schaltnetzteile: Sehr effizient mit hohem  Wirkungsgrad von zum Teil mehr als 90%. Aufpassen beim Einkauf:  Die Bezeichnung UBEC (Ultimate oder Universal BEC) meint nicht zwangsläufig SBEC!

Regler haben eine maximale Eingangsspannung. Unsere 22,2 Volt auf 5 Volt herunter zu regeln ist schon eine Ansage.  Da wir Steller mit Optokoppler verwenden sind wir sowieso gezwungen eine  zweite Spannungsversorgung bereit zu stellen:

  • Empfänger Akku: 2s = 2* 3,7V = 7,4 V

Diese Spannung liegt schon in der Nähe der geforderten 5 Volt. Die Differenz ist sehr gut wegzuregeln. Wir haben uns entschieden einen Regler von Graupner einzusetzen: Die Empfängerstromversorgung PRX-5A. Das coole an dieser nicht ganz preiswerten Lösung ist das zwei Akkus am Eingang, und zwei Leitungen zum Empfänger geschaltet werden können was die Ausfallsicherheit an der Stelle erhöht. Die Redundanz hat aber ihre Schwachstelle und das ist der Regler selber. Wenn der ausfällt, fällt das Fluggerät vom Himmel.  Davon ab hat er ein paar zusätzliche nette Features. Mal sehen wie brauchbar das Teil ist.

Dahinter greifen wir dann auch die Spannung für den Bordrechner ab. Das bedeutet wir benötigen hier noch eine Kabelweiche (TODO).

Wichtig ist an der Stelle der Hinweis das ggfs. auch Servos darüber versorgt werden (müssten).  Der Empfänger benötigt laut Betriebsanleitung ca. 70mA. Was das PIXHAWH zieht müssten wir noch herausfinden. Für jeden analogen Servo sollte man 305mAh und für jeden digitalen Servo 500mAh veranschlagen. Blockierte Servos können bis zu 750mA ziehen wenn sie unter Last blockieren. Die 6 Opto-Steller müssen auch versorgt werden. Das müssen wir bei der Wahl der Kapazität des Empfängerakkus berücksichtigen (CHECK).

Zu versorgen sind also:

  • Empfänger Graupner GR-24: 5V, 70mA.
  • Pixhawk: 5V, _____ mA
  • Steller: 5V, _____ mA
  • ggfs. Servos: _____V , 305 (500) – 750mA

Die Sache mit den Optokopplern

Ein Steller ist ja dazu da das Drehfeld für den Motor zu erzeugen und die Drehzahl zu regeln. Dazu ist eine aufwändige Elektronik verbaut die mit 5 Volt arbeitet. Am Steller liegt die wesentlich höhere Spannung des Antriebsakkus an. Daraus werden über einen intern verbauten BEC die 5 Volt zum Betrieb dieser Elektronik gewonnen (die überschüssige Wärme wird über einen Kühlkörper abgeführt).  Diese Spannung liegt dann auch am dreipoligen Steuerkabel an und kann dort zur Versorgung anderer Bauteile (Empfänger, Bordrechner, etc.) abgegriffen werden.

CHECK: Der rote Draht (+) wird oft einfach abgeschnitten, und nicht zur Versorgung der restlichen Elektronik heran gezogen. Steller sind so gebaut das sie sich bei Überhitzung abschalten… und damit würde auch der Rest der Elektronik ausfallen. Deshalb sollte man die BEC niemals zur Spannungsversorgung der anderen Komponenten benutzen! Auch der schwarze Draht (-) sollte abgeklemmt werden um Groundloops zu vermeiden?

steller-normal-001

Hier gibt es keine Trennung zwischen Leistungsteil und Steuerteil.

Nachteil dieser Lösung ist das die doch recht hohe Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt werden muss,  und – viel wichtiger –  das Leistungsteil und Steuerteil elektrisch miteinander gekoppelt sind so das hochfrequente Störsignale durch die BEC Elektronik in die Steuerleitung eingespeist werden können. Um das zu verhindern kann man beide Kreise über Optokoppler galvanisch trennen.

Optokoppler“ bedeutet „optisch gekoppelt“. Das Steuersignal steuert den Leistungstransistor nicht mehr direkt an, sondern „optisch“ über eine Leuchtdiode …auf der anderen Seite sitzt dann ein Empfänger (zB. in Form eines Fototransistors) der optischen Signale wieder in elektrische Signale  zur Ansteuerung des Leistungstransistors umwandelt .

steller-opto-001

Mit Optokoppler ist der Leistungsteil vom Steuerteil vollständig getrennt.

Wichtig ist dabei das zwei vollkommen getrennte Stromkreise entstehen!

Das bedeutet das man neben dem leistungsstarken Flugakku – der für die Motoren zuständig ist,  einen zweiten Akku für die Elektronik bereitstellen muss. Da in einem Opto-Steller kein BEC verbaut ist muss die Spannung zur Versorgung des Optokopplers durch das dreipolige Steuerkabel bereit gestellt werden.

Um es nochmal zu verdeutlichen: Es macht absolut keinen Sinn einfach einen externen BEC an den Flugakku anzuschliessen und die Ausgangsspannung dann in den Steller einzuspeisen. Damit wär das Optokoppler-Prinzip der vollständigen galvanischen Trennung wieder aufgehoben.

Stromkreis 3: Gimbal & Beleuchtung

Gimbal und Beleuchtung bekommen auch einen eigenen Stromkreis. Um eine saubere Trennung der Stromkreise zu erreichen werden die Steuersignale vom Empfänger auch über Optokoppler eingespeist. Mögliche Lösungen:

<work in progress> 🙂

Die Sache mit den Erdschleifen

<coming very soon> 🙂

Wichtig: Bei der Verschaltung  Masseschleifen (Groundloops)   vermeiden! (CHECK)

3 Kommentare zu “9.0 Der Y6 Multicopter Schaltplan
  1. Bernd sagt:

    Hallo,
    ich möchte auch Opto-ESCs einsetzen.
    Aber mittlerweile gibt es kaum noch „echte“ Opto-ESCs.
    Bei den meisten ist nur kein externes BEC vorhanden !
    Von einem Opto-Koppler keine Spur !
    Sind ihnen echte OPTO-ESC mit ca. 20A bekannt ?
    mfg
    Bernd

    • Carsten sagt:

      Hi Bernd, das ist mir noch gar nicht so aufgefallen. Optosteller ohne Optokoppler… das klingt konsequent nach Einsparung – und irgendwo auch nach Beschiss am Kunden. Hast du ein paar Beispiele? Wir verwenden bei unserem Copter Steller von Hacker. Die haben auch eine 20 A Version im Angebot – hoffentlich mit Optokoppler 🙂

      vg Carsten

  2. Carsten sagt:

    So, ich hab mich mal was klug gemacht. Es ist wohl bei China-Ware so das dort (also in China) etwas anderes unter dem Begriff „Opto“ verstanden wird als hier. Es sind tatsächlich schlicht Steller ohne eingebauten BEC.Da muss man also tatsächlich aufpassen.

    „Opto“ bedeutet also nach chinesischer Lesart: Für den Steller wird ein externer BEC benötigt. Von galvanischer Trennung keine Spur. Falls man die auch noch möchte wird ein zusätzlicher Optokoppler nötig.

    Jeti bietet mit „Jeti Optic8 – Optokoppler“ ein Modul an. Vielleicht ist das auch brauchbar zur nachträglichen Umrüstung. Es gibt ein „YGE Optokopplermodul zur Umrüstung von BEC-Stellern“ das wie ein normales Kabel ausschaut. Wir verwenden für unseren Multirotor Steller mit Optokopplern von Hacker.

    vg – Carsten

2 Pings/Trackbacks für "9.0 Der Y6 Multicopter Schaltplan"
  1. […] Bei der Verkabelung des Steuerteils gibt es einiges zu beachten. Die Spannungsversorgung erfolgt nicht aus dem Flugakku, sondern über einen separaten Akku. Warum das wichtig ist hab ich ausführlich im Kapitel  Der Y6 Multicopter Schaltplan beschrieben. […]

  2. […] wir den Bordrechner verschalten steht im Kapitel 9.0 Der Multicopter Schaltplan, und  wie das Ganze in  Betrieb genommen wird steht im Kapitel 20.0 Inbetriebnahme des […]

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