Fig.1 - Mettere insieme un modello elettrico è una cosa
centrare il giusto ESC non è così facile.
ARTICOLO TRADOTTO DALLA RIVISTA RCM&E da
Gianni Nasazzi con l'autorizzazione scritta
dell'Editore Mr. Graham Ashby. www.modelflying.co.uk
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BEC… OPPURE NO?
l'autore NIGEL HAWES chiarisce il circuito che
permette di eliminare la batteria per la ricevente le
alternative.
------------------------------------------------------Di tutte le molteplici funzioni che creano
confusione nel volo elettrico, il BEC
(Battery Eliminator Circuit) è quella più
discussa sui campi di volo.
Questo
circuito è molto piccolo ma causa grande
confusione, errori e perfino disastri. Sono
stato richiesto di scrivere questo articolo
nella speranza che al termine della lettura
voi possiate essere in una migliore
posizione per decidere meglio la scelta di
alimentare la vostri ricevente e servi ed
eventualmente evitare i molti trabocchetti
che esistono.
Per cominciare, il BEC (circuito per
eliminare la batteria) proviene dai campi
gare dove le prime vetture elettriche
richiedevano
batterie composte da
pacchi di 6 celle al NiCd da 7.2V NiCd.
Qualcuno ha pensato che sarebbe stato
più semplice ridurre la tensione di questi
pacchi da 7,2 a 5 volts per alimentare la
ricevente e i servi piuttosto che avere
una ulteriore batteria separata. Per fare
questo si è utilizzato un semplice
stabilizzatore di tensione ottenendo una
caduta di tensione da 7.2 volts delle
batterie principali a 5V . In effetti è
necessaria una quantità molto piccola di
corrente per fare funzionare ricevente e
tenuto conto anche che le automobili
radiocomandate usano solo un servo
(sterzo), e questa quantità è stata
prelevata
dalla
batteria
principale
mediante lo stabilizzatore (regolatore di
tensione).
Fig. 2 - I modelli elettrici divengono sempre più grandi e
così anche le necessità della ricevente e del ESC. Un
grosso aliante con sei servi richiede normalmente un
pacco batteria separato.
Va detto che il sistema ha funzionato
molto bene e poiché ha eliminato
l'esigenza di una batteria separata per la
ricevente è entrato nell'uso corrente il
termine di "Circuito eliminatore". In realtà
sarebbe
più
corretto
chiamarlo
1
"Alimentatore
per
Ricevente";
probabilmente sarebbe stato più adatto
ed avrebbe tolto alcune delle idee
sbagliate comuni che sono state collegate
con il BEC.
Fig.3 - Importante nella scelta di un regolatore ESC è il
numero di Ampère che puo' sopportare.
potrebbe avere bisogno di batteria per la
ricevente e per il servo per parecchi
minuti dopo che il PCO blocca la batteria
per il motore.
Fig.4 - I modelli RTF (Ready to Fly) pronti al volo
dovrebbero esserlo davvero, invece molti kits
contengono istruzioni ma di rado coprono le
considerazioni sui regolatori necessari.
APPLICAZIONE VOLO ELETTRICO
E' infatti nata un po' di confusione con un
circuito completamente differente che è
l'ESC
che
riduce
o
chiude
completamente la potenza al motore
elettrico quando la batteria di volo si
avvicina all'esaurimento, questa funzione
si chiama PCO (Power Cut-Off).
Quante volte ho sentito dire al campo da
aeromodellisti elettrici : "devo scendere e
atterrare in fretta perché il BEC mi ha
chiuso l'alimentazione". Se il modello in
questione effettivamente stesse usando
un BEC allora sarebbe stato in funzione
per l'intero volo, compreso il periodo dopo
che il PCO (power cut off) avesse fatto il
proprio lavoro. Effettivamente per ragioni
di sicurezza il PCO è regolato ad un
livello tale che il BEC può continuare a
fare funzionare il Rx ed i servi per un
buon lasso di tempo dal momento in cui
era invece insufficiente per dare potenza
al motore. Un aliante termico elettrico
Quando il volo elettrico ha mosso i primi
battiti d'ala , ha inizialmente utilizzato i
7.2V al NiCd delle automobili elettriche,
usando solitamente un motore di 550
watt. Per poter incrementare potenza e
durata il pacco si è arricchito di una
nuova cella supplementare aumentando
la tensione in ingresso a 8.4V e quindi il
wattaggio inoltre è aumentato. Questi
modelli hanno usato raramente più di due
o tre servi e, per molti anni, i fornitori di
ESCs per brushless hanno inserito nel
circuito il BEC che è stato ritenuto adatto
e funzionale con una affidabilità e un
successo generalmente molto alti. I
problemi con origine nei BEC, imprevisti
agli inizi del volo elettrico,
hanno
cominciato a presentarsi con l'evoluzione
della tecnologia della batteria e la
comprensione
della
tecnica
per
aumentare il wattaggio usando tensioni
più alte
in ingresso. Si sono viste
inizialmente 8 e poi 10 celle NiCd e
NiMh in modelli elettrici. Alcuni modelli
che inizialmente
ottenevano un
rendimento elevato per mezzo di 10 celle
e 4 servi sono andati incontro alla perdita
totale in circostanze misteriose e senza
2
una ragione specifica ma l'analisi dopo il
ritrovamento ha confermato che il circuito
BEC aveva collassato. Presto è stato
suggerito nelle istruzioni di ESC che con
più celle si devono utilizzare meno servi
se si usa il BEC, al punto in cui nel caso
di 12 celle veniva richiesta l'alimentazione
separata per ricevente e servi. La
comparsa di batterie con celle LiPo ( 3
pacchi sono equivalenti a circa 10 celle)
si è trasformata nella configurazione più
popolare, ma ha aggiunto problema a
problema. Perché è successo questo ?
Fig. 5 - Se non sapete a cosa assomiglia un BEC
lineare eccone un esempio. E' un semplice circuito
regolatore di voltaggio che usa un transistore e un
diodo Zener a valore definito. La parte di metallo forata
serve da aletta di raffreddamento.
variabile. Lavora sul
principio della
caduta di tensione attraverso un
transistore, in modo da ottenere i 5 volts
che servono alla ricevente
da una
batteria di 7.2 volts NiCd e per ottenere
questo deve solo ridurre di 2,2 volts e
questo viene ottenuto dissipando questi
2,2 volts come calore. Ora poiché la
differenza di potenziale è minima (2,2
volts) il calore generato e accumulato per
poter gestire una certa corrente (non più
di 1A per servo) è piuttosto limitato. Se
aumentiamo la tensione in ingresso a 12
volts la differenza di potenziale a 5V è
significativamente maggior ed il calore
che deve essere dissipato è così
significativamente
più
alto.
Se
ipotizziamo un input a
20 Volts,
l'accumulazione di calore può essere
estremamente alta ed avrebbe bisogno di
dissipatore di calore ( radiatore metallico
ad alette) molto grande per dissiparla
con successo.
Fig. 6 - Non pensiate che servi piccoli richiedono
minore corrente di quelli grandi. Non è sempre così. Il
consumo e la necessità di corrente non dipende dalla
dimensione del servo ma da altri fattori quali la
tecnologia impiegata, l'uso di cuscinetti, il tipo di motore
interno e la velocità di risposta dell'elettronica inserita.
SPIEGAZIONE TECNICA
Ogni volta che devo imparare qualcosa
di elettronica, mi rivolgo a Mike Merrick, il
Direttore Generale della Mtroniks, il solo
fornitore Inglese di ESCs per motori
brushless e sensorless (senza spazzole e
senza sensore di posizionamento). Mike
mi ha spiegato nei minimi particolari tutto
cio' che volevo sapere riguardo il BEC e
cercherò' di spiegarlo in modo semplice.
Un BEC (o un BEC lineare, in ogni modo)
è di base un circuito semplice per
stabilizzare la tensione e per fare questo
utilizza un transistore e un diodo Zener,
che funziona un po' come un resistore
A questo è necessario aggiungere una
considerazione sulla efficienza del
circuito. Considerate inoltre che quando
si richiede 5 volts da una sorgente di 20
volts l'efficienza è del 25% che è
ridicolmente bassa. Una cosa è certa al
crescere del voltaggio, il calore da
dissipare
aumenta
e
l'efficienza
3
diminuisce. A questo potete aggiungere
anche la richiesta di più corrente da parte
di servi che crescono in numero e in
voracità di corrente e la conclusione è
che crescita di servi e crescita di numero
di celle è la giusta ricetta per un disastro
annunciato.
Fig. 7 - Questo specifico BEC (Battery Eliminator
Circuit) comprende un ponticello per selezionare un
output tra 5 e 6 volts.
quindi nessun calore da dissipare e
quando lo switch è off non c'è corrente
che passa per il circuito. E' importante
che la somma dei cicli ON e dei cicli OFF
possano
fornire
l'esatto
voltaggio
richiesto. Questa alternanza di switching
deve essere eseguita ad alta velocità e
regolare il livello di voltaggio da
raggiungere in output che sappiamo
essere di 5 volts. prescindendo dal
voltaggio di input. Con queste unità BEC
è possibile gestire in entrata celle da 7 a
30. Come potete immaginare queste
unità hanno avuto immediatamente un
grande successo
e sono divenute
comuni per utilizzatori che hanno 10 celle
o 3 LiPo su modelli con più di 2 servi.
Fig. 8 - Sull'etichetta di ogni regolatore devono essere
indicate chiaramente le caratteristiche e le capacità.
BEC DI TIPO SWITCHING
Mentre il fatto visto in precedenza si è
trasformato in più di una preoccupazione,
si sono investigati altri sistemi per
alimentare servi e ricevente. Una prima
soluzione è stata quella di ritornare alle
tradizionali 4 o 5 celle (4,8 - 6 volts) per
alimentare separatamente riceventi e
servi.
L'altra soluzione è utilizzare un'unità BEC
isolata e su questa strada si sono mosse
le unità chiamate U-BEC e S-BEC che
utilizzano un sistema di riduzione della
tensione
di
tipo
switched
in
contrapposizione
alla
precedente
tecnologia di BEC lineare.
Abbiamo visto che la tecnologia di BEC
lineare è inefficiente quando ci sono in
gioco molte celle ma si è trovata una
soluzione con sistemi switching (on/off
alternati ad alta frequenza) nei sistemi di
regolazione della tensione riducendo cosi'
notevolmente il calore e aumentando
l'efficienza. Semplificando quando lo
switch è on non si ha caduta di tensione e
Fig. 9 - Questo è un regolatore di voltaggio stand-alone
che abbassa la corrente dalla batteria alla ricevente.
4
Fig. 10 - Questo regolatore ESC di tipo opto non ha la
BEC ovvero la connessione per la ricevente e pertanto
è richiesta una batteria separata per la ricevente.
Fig. 11 - E' possibile disabilitare il circuito BEC di un
regolatore tagliando il cavo positivo della connessione
per la ricevente.
Esiste pero' il rovescio della medaglia, il
costo che inizialmente è abbastanza
elevato, ma anche la velocità di switching
che crea disturbi elettrici dovuti all'alta
frequenza in cui avvengono questi
scambi di flussi di corrente al punto che
per alcuni casi sono stati oggetto di
indagine per la perdita di controllo di
modelli. Dico oggetto di indagine e non
"responsabili" della perdita di controllo
perché tutti noi sappiamo che quando un
modello si schianta non si è mai sicuri del
motivo esatto. Molti aeromodellisti amano
trovare subito un capro espiatorio.
Osservando la crescita degli ESC con
integrati BEC di tipo switching e con
capacità di gestione di correnti molto
elevate (molti servi e input di un numero
elevato di celle) ritengo che si sta
andando nella direzione giusta.
LA SICUREZZA INNANZITUTTO ?
Va da sé che un modello fuori controllo
è un oggetto potenzialmente mortale. Se
sei fortunato andrà a cadere in spazi
aperti magari facendo un buco nel
terreno, se sei meno fortunato potrebbe
danneggiare una vettura o qualche
arredo di altri. Ma non si può' escludere
che possa ferire qualcuno o persino
uccidere. Messo in tale prospettiva,
potete domandarvi se vale la pena di
rischiare. E' vero che con 3 LiPo e 4
servi esiste il rischio di surriscaldare il
regolatore anche se il servo del timone
non viene usato molto frequentemente
ma ci sono modelli dove i servi vengono
sollecitati in continuazione pensate infatti
ai modelli 3D dove tutti i servi sono
sollecitati. Ricordate che se utilizzate il
BEC nel vostro regolatore di velocità il
calore localizzato si accumula a quello
del regolatore che è preposto a dissipare
il calore del motore brushless. Se la
parte dell' ESC che gestisce il motore
raggiunge un calore eccessivo esiste la
possibilità che nel momento di massimo
calore si distruggerà anche il BEC con
conseguente perdita di controllo. Se il
BEC invece collassa da solo avrete la
perdita di controllo comunque. Fate molta
attenzione.
PRO & CONTRO
Se il vostro modello usa qualche cosa
più di 2l Li-Po o fino a 8 celle NiMh,
suggerirei fortemente di usare qualche
cosa di diverso dal BEC nel regolatore di
velocità.
Esistono ESC di tipo opto che non hanno
BEC integrati. Comunque se il vostro
regolatore ESC ha un BEC integrato è
possibile
neutralizzarlo tagliando e
isolando ( o estraendo dalla spina ) il filo
rosso se si tratta di Futaba o il filo
arancio se si tratta di JR.
Poiché il BEC non consumerà potenza
non verrà nemmeno sviluppato calore.
Serve ora una fonte di alimentazione per
la ricevente e questo può' essere fatto
5
con un BEC a se stante o con una
batteria 5 volts per la ricevente. Questi
BEC stand alone costano in Inghilterra
circa 35 Sterline ma i nuovi arrivi dalla
Cina stanno abbassando in fretta i prezzi.
Rimangono sempre
i dubbi sulle
interferenze che i regolatori switching
creano nelle riceventi. Se le origini sono
due : ESC e BEC, la probabilità di
interferenze è ancora maggiore.
Fig. 13 - Le batterie delle riceventi divengono sempre
più potenti senza aggiungere eccessivo peso.
Fig. 12 - I regolatori ESC di tipo switching sembra
possano risolvere alcuni dei problemi identificati
nell'articolo ma purtroppo l'uso dei 2.4Ghz potrebbe
riservare altri tipi di problemi nella sfera delle
interferenze elettroniche.
L'unico lato negativo che ha una batteria
separata per la ricevente è il peso e lo
spazio necessario e il fatto che deve
essere ricaricata regolarmente. E' già
successo che qualcuno abituato all'uso
del BEC quando è passato alla batteria
separata si è dimenticato di caricarla
prima di una sessione di volo con risultati
che vi lascio immaginare.
Fig. 14 - Il mio nuovo biturbina EDF Learjet usa batterie
separate per la ricevente. Non c'è prezzo alla
tranquillità di volo.
La soluzione con batteria separata per la
ricevente
è vista come soluzione
antiquata ma è la soluzione che non
soffre di nessun dei problemi connessi
con i circuiti del BEC, non è legata al
numero di celle, non produce disturbi
elettronici e la somma di calore che
produce
persino durante le più'
sofisticate acrobazie aeree
su un
modello multi-servi
è virtualmente
inosservabile e certamente trascurabile !
CONSIDERAZIONI
Ora non lasciatevi andare a visioni
pessimistiche. Ma pensate che con il
crescere improvviso di tutta la tecnologia
che gira intorno ai modelli elettrici si
stanno utilizzando dei modelli che una
6
volta potevano essere portati in volo solo
da motori a scoppio. I modelli elettrici
sono divenuti sempre più popolari e in
certi casi anche meno costosi degli
equivalenti a scoppio. Perché allora
correre rischi legandoci piedi e mani ad
un pezzo di circuito elettronico fragile e
potenzialmente dannoso ?
Una batteria a 4 celle AAA di tecnologia
NiMh da 800 mAh pesa poche decine di
grammi ed è in grado di portare in volo un
modello con quattro servi e anche per un
certo tempo.
Potete anche avere un piccolo Led che vi
segnala se la vostra batteria è carica o
richiede attenzione. Sono molto affidabili
e i costi abbastanza contenuti . Ancora il
peso della batteria è spesso usato per
centrare il modello senza dover far
ricorso a piombo o spostamenti vari.
Non
dimenticate
ritornando
alla
discussione iniziale che se un ESC
collassa o cuoce non perderete il
controllo del modello. Non è una novità
che alcune batterie LiPo sono scoppiate
in volo lasciando il circuito di
alimentazione aperto, il motore fermo ma
con batteria separata per la ricevente e i
servi l'aereo si recupera e viene
mantenuto il controllo del volo.
Oggi una cella LiPo 3,7 volts non è
sufficiente per alimentare una ricevente e
due celle 7,4 volts che sono sicuramente
troppo per una ricevente a 5 volts e
quindi non utilizzabile.....almeno per ora.
Ancora questa batteria è completamente
impermeabile, virtualmente indistruttibile
e pesa soltanto 57g ! La capacità è
elevata e può' essere ricaricata in un ora
con il vostro caricabatteria da campo. Se
pensate che questa potrebbe essere la
soluzione, potete dare un colpo di
telefono alla Mtroniks a questo numero di
telefono inglese 01943 461482. Unità a 5
volts da 3 Ampere, da 6 Ampere e da 9
Ampere sono già disponibili, cosi' pure in
voltaggio a 6 volts per i servi veloci o
digitali.
VERSO IL FUTURO
Non stupisce come il volo elettrico ha
progredito in cosi' poco tempo ma, come
con qualsiasi salto di tecnologia, si sono
generati alcuni problemi imprevedibili, il
BEC è certamente un esempio. Spero
che questo articolo abbia aiutato a
chiarire un poco la situazione e forse a
dare un ulteriore argomento di riflessione
per quanto riguarda dove stiamo
andando. Non può essere stressato
abbastanza il concetto che noi abbiamo
un dovere di rendere sicuri i nostri modelli
e affidabili.
Se questo si ottiene con una batteria
separata o con un pezzo di elettronica è
una vostra scelta ma è importante che la
sicurezza sta al livello più alto di
attenzione.
Buoni voli.
ULTIMA SOLUZIONE?
Mike della Mtroniks ha esaminato questi
problemi nei minimi particolari ed ha
fornito una ipotesi che potrebbe per molti
essere
l'
alimentazione
elettrica
alternativa:
usare celle Li-Po come
batteria di Rx. Usando un BEC lineare,
con 2s Li-Po funzionanti a 7.4V la caduta
di tensione non è elevata , cosi' pure il
calore generato e l'efficienza ragionevole.
Inoltre non dovendo usare la tecnica della
switching ad alta frequenza non genera
interferenza elettronica.
Per chi ha la possibilità di leggere riviste
in Inglese consiglio l'abbonamento alla
7
rivista mensile RCM&E da cui è tratto
questo articolo. Per ogni informazione
sulle modalità e i costi di abbonamento
email : [email protected]
o web : www.modelflying.co.uk dove
trovate molti articoli e bellissime foto di
modelli.
Buona lettura
Gianni Nasazzi
ALA Lecco 18 Ottobre 2008
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