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Este artículo fue publicado en la RC Model Aero nº 68

REGULADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES SIN ESCOBILLAS

 Los motores sin escobillas dominan el ámbito del vuelo eléctrico por su ligereza y gran rendimiento, pero el verdadero protagonista de tal éxito está en el circuito electrónico que convierte la corriente continua de la batería en alterna necesaria para accionar el motor.

 Principio de funcionamiento

 Los primeros reguladores eran para motores con escobillas y consistían en un conjunto de resistencias que mediante un servo se intercalaban entre la batería y el motor. La caída de tensión de las resistencias disminuía la tensión en bornes del motor y con ello su velocidad. Este método tenía una eficiencia muy baja ya que se perdía en forma de calor parte de la capacidad de la batería.

 Con la aparición de los mosfets, transistores de conmutación con una resistencia interna muy baja, se desarrollaron los reguladores de velocidad c.c. a c.c. (corriente continua) que permiten un troceado de la tensión de batería. Es decir el motor recibe impulsos de tensión del valor real de la batería, lo alimenta durante un instante y cesa seguidamente. Si este escalón se repite a una frecuencia muy elevada se consigue mantener el giro del motor y en función del ancho del pulso regulamos la velocidad. Queda reflejado en el dibujo (a). El rendimiento es muy superior respecto a intercalar resistencias porque las pérdidas por temperatura de la caída de tensión del mosfet es muy baja y durante el tiempo que no conduce es nula.

dibujo (a)

 La conversión de corriente continua (c.c.) en alterna (c.a.) consiste en alternar periodos de conducción entre las tres fases decaladas 120 grados. Así se componen troceados de intervalos de tensión tanto positivos como negativos a partir de la fuente de alimentación (batería) con una alternancia de tal manera que la forma obtenida en el tiempo se asemeje a una alterna sinusoidal trifásica. La foto del oscilograma (a) de una fase a máxima velocidad muestra la alternancia positiva y negativa de los periodos de conducción de los mosfets. El dibujo (b) agrupa las tres fases decaladas 120º entre ellas.

Para conseguir la regulación de velocidad se trocea el periodo negativo con lo cual el valor medio de la tensión disminuye, y además se baja la frecuencia ( f ) de trabajo. Se aprecia en la foto del oscilograma (b) tomada en el punto de velocidad mínima del motor.

dibujo (b)

Oscilograma (a)  Vista real de la forma de onda de una fase en bornas de un motor a máxima velocidad del regulador. El área de cada trapecio es la energía transmitida al motor:

Oscilograma (b)

Vista real de la forma de onda de una fase en bornas de un motor a mínima velocidad del regulador. El área se reduce casi a cero en el lado negativo y se disminuye la frecuencia de trabajo:

Elementos del circuito

No vamos a detallar la tecnología de todos los componentes electrónicos que se puedan encontrar, solo describiremos una idea de la funcionalidad de cada bloque.

Podemos distinguir cuatro bloques principales; Potencia, Control, limitador (V, I y Tª) y BEC. El dibujo (c) expone la relación entre ellos.

El bloque de Potencia es el encargado de hacer transformar la c.c. de la batería en una onda adecuada para el motor de tres fases haciendo las conmutaciones de polaridad como hemos descrito anteriormente. Está compuesto básicamente por un tipo de transistores llamados “mosfet” capaces de conmutar el paso de corriente a una frecuencia de hasta un Mhz. Estos mosfet pueden ser de dos clases según el tipo de polaridad, N y P. Con la combinación de cada uno de ellos por fase se obtiene el cambio de polaridad requerido para el funcionamiento sincrónico del motor. Lleva adosado un refrigerador de chapa de aluminio para disipar el calor producido por los mosfet.

El bloque de Control consiste en un microprocesador programado para enviar los impulsos a las puertas de excitación de los mosfet de modo inteligente, ya que procesa la frecuencia de trabajo, el avance, y regula la tensión sobre el motor variando los pulsos. También compara la tensión de la batería con los valores programados para proteger a ésta. Hoy en día todos los fabricantes permiten al usuario modificar diferentes parámetros del regulador mediante movimientos de la palanca del emisor combinados con sonidos, y la mayoría disponen de tarjetas y cables dinámicos para PC que facilitan enormemente el trabajo.

Se complementa con un cristal de cuarzo que le proporciona la estabilidad y evita oscilaciones al reloj interno del microprocesador.

Bloque limitador de intensidad y temperatura. No todos los modelos lo incorporan y en algunos casos es desconectable (modo FAI, Heli,..). Vigila la intensidad de corriente por las fases, las compara y envía al control su información. Se combina con un sensor de temperatura para evitar el sobrecalentamiento del bloque de potencia.

BEC, es un circuito que proporciona la tensión al propio regulador, receptor y servos a partir de la misma batería de propulsión. Consiste en un circuito integrado que tiene la característica de limitar y mantener estable la tensión de salida a 5 voltios con una diferencia mínima entre las tensiones de entrada y salida (menor de 0,3 volts.). Además en caso de tener una entrada inferior a 5 volts. la salida sigue el valor de la entrada hasta 3,5 volts. Mas adelante completaremos su estudio.

Se complementa con algún condensador electrolítico a su entrada que evita la fluctuación transitoria de tensión de la batería. Suelen verse en el exterior.

Hay reguladores que prescinden del BEC, suelen tener la denominación OPTO.

 dibujo C

Configuraciones

            La arquitectura del bloque de potencia es realmente el que define la potencia del regulador.

Para conseguir aumentar la intensidad soportada por un regulador, los mosfet se conectan en paralelo en cada una de la polarización de las tres fases, en total seis conjuntos con polarización 3 “N” y 3 “P” o los 6 “N”. Actualmente un transistor mosfet en formato de montaje de superficie (SMS) tiene una intensidad de operación real continua de unos 13 amperios a 18 voltios entre fuente y surtidor. Por ello un regulador de 18 amp. lleva dos mosfet en paralelo por cada polarización de cada una de las tres fases.

La configuración se complica con tensiones de entrada altas, es decir superiores a los 18 volts. (mas de 16 elementos nimh o 4S en lipos). La configuración debe ser con al menos dos mosfet en serie en lugar de uno simple, y luego asociar en paralelo cada dos elementos en serie.

Esta es la razón de la diferencia de precio para una misma intensidad entre los reguladores hasta 4S y/o 8S lipo.

 Programación

Cada fabricante tiene su forma de proceder en cuanto a la programación se refiere, sin embargo con los reguladores por debajo de los 25 amp. y 3S/ 10 nimh, suelen tener un funcionamiento muy automatizado donde tan solo es electivo el uso del freno. A partir de los 30 amp. son mucho mas configurables.

Los conceptos programables más usuales son:

Tipo y número de células de batería. Todos usan una tensión mínima de elemento (Vm) de 0,8 volts. por elemento de nicd-nimh y 2,75 volts. por célula de Lipo. Por ello programamos el número y tipo de elemento “n” lo multiplicamos por el factor Vm y obtenemos la tensión de corte para proteger la batería.

Freno. Consiste en cortocircuitar las tres fases del motor y se consigue  dando conducción a la vez al bloque de potencia. En función de lo rápido que se cambia a esta fase, se obtiene una frenada más o menos suave, con ello se dan las diferentes opciones configurables.

Si usamos motores con reductora, conviene usar una modalidad de freno suave para evitar daños en los engranajes.

Frecuencia. Según el número de polos del motor se puede variar la frecuencia de trabajo del regulador. Como norma a menor número de polos (p) del motor, mayor frecuencia (f) podemos aplicar y viceversa. Pero observar que a mayor frecuencia el bloque de potencia disipará mayor temperatura y le merma la intensidad máxima.

Avance. (timing). Es el concepto mas complicado. Se mide en grados y adapta el desfase entre la velocidad de giro “eléctrica” y la real efectiva en el eje “mecánica”. Ajustar este modo también viene dado por el número de polos del motor, mayor (p) permite un ajuste de más grados de avance. Un avance inadecuado implica un ruido de giro del motor grave y la aceleración no es progresiva. Si medimos el consumo o intensidad en la batería también observaremos que para las mismas revoluciones de giro éste es mayor. Esta medición se debe combinar con diferentes opciones de frecuencia y procurar llevar la intensidad al mínimo posible.

Con el fin de simplificar el uso de la programación hay firmas, normalmente fabricantes de motores, que eligen dar modos según uso, por ejemplo: avión (sin freno), velero térmico (freno suave y corte a valores mas altos de Vm), hotliner (freno duro), helicóptero (governor), tan sólo dejan la opción de variar el número de células de la batería.

La programación se simplifica con el uso de tarjetas por pines o interfases USB que conectan el regulador a un software para PC y es alternativo al movimientos de palancas y sonidos:

Recomendaciones

 El primer condicionante para elegir un regulador es que ceda una intensidad por encima del consumo esperado y acorde a la tensión de batería (V). La intensidad real (I) será función de la carga en el eje del motor (hélice) y del número de elementos de la batería. La potencia máxima entregada viene dada por:

 P = V x I

Si elegimos un variador de una tensión o intensidad ajustada a la esperada limitamos la otra variable porque no podemos pasar de su potencia máxima.

 En la práctica para averiguar la intensidad esperada, conviene comparar los ensayos del fabricante del motor con nuestro supuesto para una tensión de batería igual o inferior. Una vez elegido el regulador siempre conviene hacer una medición real de intensidad con un instrumento de medida, acelerando lentamente las revoluciones y vigilando de no pasar la intensidad máxima del regulador. Esto nos permite elegir la hélice idónea, y saber el estado de la batería para afrontar la descarga real.

 Durante la fase de vuelo, mientras no mantengamos el modelo en posición vertical y a máximo gas, la intensidad baja del orden de un 15% o mas, y si el regulador está aireado las condiciones siempre son favorables. En el caso de helicópteros el margen de sobredimensionamiento deberá ser superior por trabajar en ciclo continuo y poca refrigeración.

             El BEC también tiene limitaciones por excesiva tensión de entrada e intensidad de salida. Normalmente para simplificar el fabricante indica el número máximo de servos a conectar en función de la tensión de la batería. Esto no lo podemos valorar de una manera estricta ya que el consumo de los servos es muy variable.

Los circuitos integrados usados en la función bec con salida a 5 voltios, suelen dar 1 amperio con una tensión de entrada comprendida entre 6,25 y 26 voltios, por lo cual no hay inconveniente hasta 6S lipo o 20 elementos Nimh, pero la potencia disipada es la diferencia entre tensión de entrada y salida (5 votls.) por la intensidad de consumo:

Potencia disipada = ( V batería – 5 ) x I salida

Y esta no debe exceder de 2,5 vatios a 25º de temperatura. Por ejemplo, con una lipo 3S la máxima corriente que cederá el BEC son:

2,5 / (11,1-5) = 0,41 amperios

 es decir un 40% de la máxima. Por ello se suelen asociar dos o más circuitos integrados idénticos en paralelo para conseguir una intensidad fiable en el equipo de radio y servos.

Recomendamos no conectar el BEC con baterías compuestas por más de 3S o 10 elementos Nimh, si no son específicos para tensiones superiores y externos al regulador de velocidad. Si no disponemos de ello, desconectar el cable positivo del regulador y usar una batería de receptor auxiliar.

 Gráficas de los parámetros más significativos de los BEC  

(Low Dropout Regulador)

temporal de fotos/graf bec.mht