Principi base di un sistema di alimentazione RC

Introduzione

Un tempo i sistemi di alimentazione radiocomandati (RC) a bordo erano piuttosto semplici, avevano un solo ricevitore e alcuni servo alimentati da una batteria NiCad. Ma con l'introduzione dei motori elettrici e di altre modalità di alimentazione, i sistemi RC sono cambiati non poco. Questo blog spiega la terminologia e illustra i componenti utilizzati nei moderni sistemi di alimentazione RC e come sono comunemente configurati.

Il ricevitore

I ricevitori RC (RX) hanno due finalità. La prima è quella di interpretare i segnali provenienti dal trasmettitore e di indirizzare quei dati al canale corretto. La seconda è fornire un rail di alimentazione che porti corrente e tensione ai vari servo o ad altri dispositivi periferici che occupano i canali dei servo. RX ha bisogno di un'alimentazione costante di 4,8-6 V c.c. per eseguire le sue funzioni di controllo (Figura 1). Se il modello RC è azionato da un motore a nitrometano o a benzina, è sufficiente una batteria NiCad o NiMH in grado di fornire tensione al ricevitore. In alcuni casi, i modelli RC con motori a benzina hanno una batteria separata per il sistema di accensione.

Figura 1: Layout del ricevitore RC. (Immagine per gentile concessione di Don Johanneck)

Motori elettrici di azionamento

L'introduzione di motori elettrici per la propulsione di un modello richiede batterie più potenti e un sistema di controllo dell'acceleratore indipendente. Il controllo del motore prende il segnale di accelerazione da RX e lo traduce nell'intervallo di tensione della batteria per dare al motore tutto ciò di cui ha bisogno. Per soddisfare le esigenze di alimentazione dell'RX, alcuni controller per motore includono un'uscita dedicata e regolata a 5 V solo per l'RX, denominata BEC (circuito di eliminazione batteria). Ciò consente ai progettisti di sistemi di evitare di installare due batterie, una per il motore e una per l'RX. Se il controller non dispone di un BEC o se la sua uscita a 5 V non fornisce una corrente adeguata, è inoltre possibile installare un BEC indipendente collegato direttamente alla batteria.

Motore a spazzole o senza spazzole?

I motori c.c. a spazzole per la propulsione degli aerei RC hanno avuto vita breve e sono stati rapidamente sostituiti dai motori c.c. brushless (BLDC). Il controller per i motori è chiamato controller elettronico di velocità o ESC. Gli ESC sono classificati in base alla potenza in uscita e alla loro capacità di gestire diverse tipologie di batterie LiPo che hanno conquistato il mercato delle batterie RC grazie alla loro elevata capacità. Come detto, la maggior parte degli ESC è dotata di un BEC, ma non tutti. Il termine BEC si riferisce normalmente a un circuito a regolazione lineare che è inefficiente e genera calore. È nato così l'uBEC, un regolatore di tensione di tipo a commutazione più efficiente.

Figura 2: Alimentazione RC e sistema di controllo (Immagine per gentile concessione di Don Johanneck)

Mentre i motori a spazzole sono classificati semplicemente in base alla tensione di ingresso e all'assorbimento di corrente, i più diffusi motori brushless sono classificati in kV, ovvero in giri al minuto per volt. Se il motore brushless è classificato a 850 kV, funzionerà a 850 giri per ogni volt applicato. Una batteria LiPo 4S eroga circa 14,8 V che faranno funzionare il motore da 850 kV a 12.580 giri al minuto con la massima corrente della batteria e senza carico sull'albero di uscita del motore. Il controller elettronico di velocità regola la tensione per fornire un intervallo completo di controllo del numero di giri/min proporzionale alla posizione del comando dell'acceleratore del trasmettitore (TX).

La determinazione del potenziale assorbimento di corrente di un motore brushless richiede qualche calcolo. Prendendo il peso del motore in grammi e moltiplicandolo per un fattore di 3,5 si ottiene la potenza massima approssimativa. Supponiamo che il motore da 850 kV pesi 174 g. Questo motore può consumare circa 600 W di potenza. Poiché la potenza è il prodotto della tensione e della corrente, dividerla per la tensione applicata per ottenere l'assorbimento di corrente approssimativo, che è di circa 41 A al massimo numero di giri/min.

In genere, un operatore di RC non aziona il modello a pieno regime per tutta la durata di un volo o di una corsa ma, se lo facesse, un gruppo da 6500 mAh potrebbe far funzionare un motore da 850 kV a pieno carico per circa 9,5 minuti (6500 mAh/41000 mA = 0,1585 ore).

Batteria LiPo

I termini LiPoly, litio-polimero o "LiPo" si riferiscono allo stesso tipo di batterie ad alto rendimento. Sono scelte in base alla capacità dell'ESC e ai requisiti del motore. La maggior parte delle batterie LiPo riporta queste informazioni sull'etichetta, che indica il numero di celle, il numero di ampere-ora e la velocità di scarica. La tensione nominale è direttamente correlata al numero di celle. Poiché ogni cella LiPo eroga 3,7 V nominali, il valore "S" o serie si riferisce al numero di celle in serie che compongono il gruppo batteria. Un gruppo 2S è di 7,4 V, uno 3S è di 11,1 V e così via. Il valore in ampere-ora viene utilizzato per determinare per quanto tempo il gruppo può erogare corrente con un assorbimento di corrente noto. DigiKey ha uno strumento utile per calcolare la durata della batteria in base all'assorbimento di corrente (Figura 3).

Figura 3: Tempo di volo stimato - Calcolatrice durata batteria di DigiKey. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il valore "C" descrive l'assorbimento massimo di corrente del gruppo che non provoca danni alle celle. È sufficiente moltiplicare il valore "C" per la capacità in ampere. Un gruppo 15C, da 3200 mAh può avere un assorbimento massimo di 48 A. Il valore "C" è utile anche per determinare la velocità di carica (Figura 4). La carica corretta di una batteria LiPo richiede una certa disciplina per evitare danni alle celle e un potenziale incendio causato da un sovraccarico o da celle fisicamente danneggiate. Utilizzare sempre un caricabatterie con velocità di carica regolabile, connettori di bilanciamento e, se disponibile, un sensore per monitorare la temperatura del gruppo. Un gruppo "gonfio" o con danni visibili alle celle deve essere smaltito correttamente per evitare la combustione o l'esplosione durante la ricarica. È prassi comune scegliere una velocità di ricarica di 1C, calcolata convertendo i mAh in A e caricando a questo valore. Il gruppo da 3200 mAh citato in precedenza viene caricato a 3,2 A (1C) al massimo. Il conduttore di bilanciamento assicura che il gruppo venga caricato in modo uniforme e consente all'utente di monitorare ogni cella utilizzando uno speciale misuratore che si collega direttamente al conduttore di bilanciamento.

Figura 4: Tempo di carica stimato - Calcolatrice durata batteria di DigiKey. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Fare attenzione a non scaricare un gruppo al di sotto di 3,7 V per cella. Una scarica persistente al di sotto di questo livello può accorciare la durata della batteria e ridurne la capacità.

Un gruppo gravemente danneggiato a causa di un sovraccarico o di danni fisici può scoppiare e distruggere la custodia protettiva e viene comunemente definito "gonfiato". Non tentare di ricaricare e prestare attenzione quando si maneggia un gruppo gonfiato, dato che potrebbe esplodere e senza preavviso. Per sicurezza, i gruppi LiPo devono essere "neutralizzati" e riciclati quando non sono più utilizzabili.

Conclusione

I sistemi di alimentazione RC possono essere semplici e poco costosi o anche costare centinaia di dollari. In ogni caso, una corretta interconnessione e un attento monitoraggio delle batterie possono prolungare la vita del sistema di alimentazione. È normale che il sistema di alimentazione duri molti anni o addirittura decine di anni. Le batterie, se ben trattate, possono durare diverse stagioni, ma spesso devono essere sostituite a causa della costante e rapida scarica associata ai modelli RC. Ma pensate a quanto vi state divertendo!