Vidim da ću se morati dobro pripremiti za detaljnije objašnjenje. Ovdje je član naše 'bande', "frankycro" dobro načeo i djelomično dobro objasnio o čemu se radi.
Jedino mala digresija, citat ("...da bi ESC pregorio..."):
"inducirana struja zbog impulsnog pražnjenja mora imati veći napon od probojnog na MOSFET-ima"
Ja bi ovo izmijenio/prilagodio na:
Zbog prirode impulsnog rada i zbog induciranog visokog napona ('samoindukcija' na motorima), taj napon bi trebao biti veći od probojnog napona na MOSFET-ima.
Ukratko, radi se o tome da kada MOSFET provede struju od baterije na motor, stvara se magnetno polje oko zavojnice motora, kao i oko dolaznih žica do motora, no taj induktivitet je daleko manji od onog na motorima (manje problematičan).
Slijedi poduži dio (za one koji žele znati neke fenomene, čitati do kraja, za ostale, molim za oprost za predugačak članak):
Dio tog magnetskog polja se 'poruši' (smanji) mehaničkim prijenosom na magnete rotora (ovo je poželjno) koji vrše rad (okretanje propelera) i time se dio energije prenosi sa magnetne na mehaničku energiju. (bilo bi lijepo kad bi se sva magnetna energija potrošila i prenijela na rotor, no nije uvijek tako)
Ostaje neiskorišteni dio, koji se očituje kao 'naponski udar' (eng: spike, ili cro: šiljak) zbog vrlo brzog 'urušavanja' magnetskog polja, koji rezultira visokim naponom u vrlo kratkom roku (naponski šiljak) na istoj zavojnici motora.
Brzinu urušavanja diktira brzina prekidanja (switching) MOSFET-a, kao i njegov unutarnji kapacitet (što veći, to se sporije mijenja napon, tj. brzina urušavanja mag. polja).
Brzinu prekidanja MOSFET-a diktira djelomično njegov 'gate' kapacitet, djelomično (i namjerno) sporije 'okidanje' na 'kapiji' (gate) MOSFET-a. MOSFET (metal oxide surface field effect transistor) najbolje radi u 'prekidačkom' načinu rada, tj. kada je prijelaz iz vodljivog u nevodljivo (ili obrnuto) stanje jako brzo. Dakle, tranzistor ili provodi ili ne provodi.
U tim prijelazima, ta vrsta tranzistora trpi najveće gubitke, jer je snaga 'disipacije' (jalova snaga) izražena formulom: P=I^2*R, gdje je struja ovisna o naponu napajanja i trenutnom otporu tranzistora (dinamički otpor).
U slučaju vrlo niskog otpora, recimo 0.01 Ohm (dobar dio MOSFET-a ima vrlo mali RDSon otpor provođenja [RDSon = otpor Drain to Source u provodnom stanju]), ta jalova snaga bi bila recimo P=50^2*0.01 = 25W. Dakle, pri struji od 50 ampera i otporu od 'samo' 0.01 Ohm-a, jalova snaga je 25W. Takav MOSFET izdrži tu jalovu snagu bez problema, pogotovo ako je trajanje impulsa kratko.
U trenutku prijelaza iz vodljivog u nevodljivo stanje, taj otpor se povećava, ali se struja smanjuje, pa recimo da u određenom trenutku imamo 'samo' 10 A i otpor od recimo 2 Ohm-a, P=10^2*2 = 200W. (vrijednosti su nasumično odabrane radi ilustracije)
Što kraće prijelazno vrijeme, to bolje za dotični MOSFET. Kod 'radnog tereta' (load), tj. neinduktivnog tereta (žarulja, na primjer), nije problem brzo 'okidanje' MOSFET-a, dobije se vrlo visoka efikasnost regulacije struje za takav tip tereta.
Problem nastaje kod prekidanja ili komutacije induktivnog tereta (brzi prijelaz iz vodljivog u nevodljivi režim rada MOSFET-a). Prebrza komutacija s jedne strane skraćuje nepoželjni prijelazni otpor, a samim time jalovu snagu na tom tranzistoru. S druge strane, ista brza komutacija uzrokuje vrlo brzo urušavanje magnetskog polja na zavojnici statora motora, koji rezultira visokim naponom samoindukcije.
Zbog toga proizvođači ESC-a produžuju to vrijeme komutacije, kako bi se što je više moguće izbjegli problemi samoindukcije od strane zavoja na statoru. Isto tako, takav impuls mjeren na konektorima nije pravokutnog oblika, nego trapezoidnog - pokušaj da se što vjernije imitira sinusoidni napon.
Taj napon samoindukcije je 'krivac' za uništavanje MOSFET-a, jer zna dobrano prijeći dozvoljenu vrijednost za dotični tranzistor, pogotovo kad je tranzistor već vruć (parametri tranzistora se mijenjaju).
Sada dolazim do onog dijela oko 'filtriranja' napajanja (i razloga zašto je dobro dodati elektrolitske i ostale kondenzatore što bliže ESC-u). Gore navedene struje na tranzistoru (ok, MOSFET, da ne pišem stalno tu kraticu, rađe ću koristiti izraz tranzistor, što on i jeste) su nasumično odabrane, a u realnoj situaciji ovise o:
1. Naponu napajanja (baterije),
2. Otporu tranzistora u vodljivom stanju,
3. Reaktivnom otporu (impedancija) zavojnice statora,
4. Jalovom otporu na toj zavojnici (ili zavojnicama, ako gledamo cijeli motor kao takav),
5. Otporu na dovodnim vodičima struje (kako od baterije do ESC-a, tako i od ESC-a do motora).
Prvo da eliminiramo jalov otpor zavojnice i dovodnih vodiča, te jalov otpor tranzistora u smislu krivca za uništavanje ESC-a, jer oni uzrokuju slabije 'performanse' motora (više gubitaka snage, manje efektivnog rada), ali ne i uništavanje bilo čega.
Induktivitet zavojnice statora i priključnih vodova su odgovorni za impulse samoindukcije, koji zapravo uništavaju ESC, samo u slučaju previsokog napona napajanja istog. Da bi taj napon samoindukcije dokučio kritične i katastrofalne vrijednosti, napon napajanja na ESC-u mora biti u 'dozvoljenom rangu' po specifikaciji proizvođača.
Ono što je manje poznato je način na koji ulazni napon na ESC-u varira, a najpribližnije objašnjenje je ripple voltage, kao što je "frankycro" pokušao objasniti. No, malo mi se ne sviđa njegovo objašnjenje (objašnjenje je ok, samo ne i sveobuhvatno), pa ću pokušati malo bolje objasniti.
Kada tranzistor(i) povuku veliku struju iz napajanja (baterije), okolo vodova (dovoda) sa baterije na ESC se stvara značajno magnetsko polje. Što je veća struja impulsa (brži rad motora, dakle veća potrošnja), to je jače magnetsko polje oko tih vodova. Što su duži vodovi, to je veći induktivitet - jače inducirano magnetsko polje (pod uvjetom da je struja ista kao i kod kraćih vodova).
Prilikom uključenja MOSFET-a (provodno stanje), znatna struja dovodi do manjeg i kratkoročnog pada napona na baterijama, što nije neki problem.
Problem je što ista jaka struja stvara jako magnetsko polje, gdje je jačina veća što je struja jača, a induktivitet veći (duži vodovi). Energija privremeno pohranjena u takvom magnetskom polju je ekvivalent E=1/2*L*I^2. (može se primjetiti da je sa povećanjem struje, pohranjena energija eksponencijalna!) Ova formula za energiju pohranjenu u vidu magnetskog polja će nam trebati kasnije za proračun napona samoindukcije, pošto u toj formuli nije uključen napon kao takav.
U trenutku izsključivanja MOSFET-a, magnetsko polje se 'urušava' brzinom koja je ovisna o induktivitetu vodiča (opet ponavljam - što veći induktivitet [duži vodovi!], to sporije), te kapacitetom na ulazu ESC-a (LC, uvjetno rečeno titrajni krug). Isto tako, napon samoindukcije je viši što je brže urušavanja magnetskog polja zbog niskog kapaciteta (već postojeći elektrolitski kondenzatori na ESC-u).
Prilikom urušavanja magnetskog (samoindukcija) polja na tim vodovima struja pokušava nastaviti teći u istom smjeru kao kod tranzistora u provodnom stanju. Na svakom vodu (i pozitivni i negativni vod) se stvara razlika napona, proporcionalna jačini magnetskog polja, i obrnuto proporcionalna trajanjem urušavanja istog (što kraće urušavanje, to je razlika napona od početka do kraja voda veća (viši napon na vodovima).
Gorespomenuta formula za energiju pohranjenu u vidu magnetskog polja, sada nam pruža priliku da izračunamo dobiveni napon samoindukcije (još fali jedna formula za trajanje urušavanja magnetskog polja, doći ću i do toga).
Pošto je pored induktiviteta vodova uključen i kapacitet, energija pohrane u tom kapacitetu je izražena formulom: E=1/2*C*V^2 (ili U^2, V je internacionalni simbol za "voltažu", dok je naš lokalni simbol 'U' za napon, no pošto na gotovo svim web mjestima postoji ta formula, neću inzistirati na naponom, nego "voltažom", kako to ameri vole reći).
Dakle, bilo bi jednostavno izračunati dobiveni napon samoindukcije, sa malo 'promiješanom' formulom: V=SQRT(2E/C) [napon jednako kvadratni korijen od 2*energija, podijeljeno sa vrijednošću kapaciteta]
Zapravo, ova formula daje 'prosječni' napon (average voltage), ne vršni napon (peak voltage). Da bi izračunali vršni napon, moramo znati vrijeme trajanja samoindukcije, a to je označeno formulom: t=0.5*PI*SQRT(LC) [vrijeme jednako jedna polovina broja 3.14... puta korijen od umnoška induktiviteta i kapaciteta.
Nekima će ova formula biti poznata u malo drugačijem obliku, kao formula za rezonanciju: f=1/(2*PI*SQRT(LC), ali to je formula za cijeli ciklus jednog titraja, dakle dvije poluperiode (2*PI). Pošto urušavanje magnetskog polja traje 1/4 tog vremena, zato je ispred PI (3.14....) stavljeno 0.5 ili 1/4. To je vrijeme koje je potrebno da se napon od nule 'podigne' na vršni napon, isto tako to je vrijeme koje je potrebno da se magnetsko polje oko vodova uruši.
Finalno, vršni napon dobijemo množenjem prosječnog napona Vp [iz gornje formule Vc=SQRT(2*E/C) ] i dobivenog vremena urušavanja magnetskog polja t (vrijeme samoindukcije). Vp=t*Vc
Dakle, što je više energije pohranjeno u vodovima od baterije do ESC-a, i što je manji kapacitet (elektrolit), trajanje samoindukcije je kraće - a vršni napon višlji.
Ovo je bitno: taj vršni napon na svakom vodu je u seriji sa baterijom, dakle napon baterije + napon samoindukcije obadva voda.
Taj vršni napon
NE UNIŠTAVA ESC DIREKTNO! Ono što se sada događa je slijedeće:
Prvi impuls ikada stvoren na ESC-u i samoindukcija zbog induktiviteta na motoru i vodovima do motora je takav kakav je (MOSFET to trpi bez problema, jer je u granicama tvorničke specifikacije) - problem je slijedeći impuls, gdje je sada ESC kao takav napajan sa novom vrijednošću napona: baterija + vršni napon samoindukcije na vodovima od baterije do ESC-a.
Ovo dovodi do sekundarne pojave, a to je viši napon na izlazu ESC-a prema motoru, ovaj puta zbog samoindukcije zavojnice na statoru. Taj napon uništava MOSFET, jer zna preći maksimalno dozvoljenu vrijednost!
Za svaki dodani volt na ulazu ESC-a, na izlazu dobijemo eksponencijalni rast napona samoindukcije (kao i snage motora: viši napon omogućava dobivanje jače struje).
Recimo da imamo bateriju od 12V, plus vršni napon od 'samo' nekoliko volti. Na svakom ESC-u piše koliki je maksimalni dozvoljeni napon + koje baterije (1S, 2S, 3S, itd.). Proizvođač je svjestan ovog fenomena samoindukcije vodova, tako da su vodovi fiksne dužine, uzete su u obzir prosječne dužine vodova na baterijama i prema tome dimenzionirani zaštitni elektroliti na ulazu u ESC od strane baterije.
Ukoliko koristimo recimo 2S bateriju (7.4V), a ESC može raditi i sa 4S (14.8V), čak i sa malo produženim vodovima ne bi trebalo biti problema. Proizvođač je i toga svjestan. Problem nastaje kad se upotrebljava baterija na gornjem limitu koji je spomenut na svakom ESC-u (bar bi trebao biti) u vidu broja članaka baterije i maksimalnog napona.
No proizvođač kao proizvođač bi odmah propao da napravi takav ESC koji neće nikada pregorjeti, a dotični 'majstor' koji je izmudrovao predugačke vodove nema potrebe za kupnjom zamjenskog ESC-a. Zato se i stavljaju 'taman' dovoljno optimizirane kondenzatore na ulaz ESC-a od strane proizvođača.
Ono što se na ovu temu spominje 'rezonantna' frekvencija vodova, je zapravo nesretna 'koincidencija' (ili kombinacija) vršnih napona i trenutka 'okidanja' MOSFET-a. Sve to zbog naravi leta bilo koje letjelice (ne samo quadcopter-a), gdje se periodički mijenja jačina gasa. Ako se vršni napon 'potrefi' baš u 'nezgodnom trenutku', samo je pitanje vremena kad će početi ESC izgarati.
Za dimenzioniranje dodatnih kondenzatora u paralelu sa postojećima, može se koristiti formula: C=2E/V^2, gje je C vrijednost kapaciteta potrebnog za dodavanje, energija koja je pohranjena u dolaznim vodovima, a napon (V) je 'dodani' napon zbog samoindukcije na dolaznim vodovima do ESC-a.
Ili, kako je gorespomenuto, za svakih dodanih 10 cm voda, (barem) 220 uF, montirati što bliže ESC-u. Bilo bi dobro da se još dodaju i keramički kapaciteti (paralelno sa elektrolitskim) za 'peglanje' jako kratkih (brzih) impulsa, za koje su elektroliti pre spori (zapamtite da elektroliti imaju 'tromost' zbog načina na koji rade: izmjena iona).
Ovo ponajprije vrijedi za one koji planiraju upotrijebiti baterije koje su označene na ESC-u kao gornji limit (kako napona tako i broja članaka baterije). Osobno bi dodao te kondenzatore za svaki slučaj, jer nikada ne mogu vjerovati proizvođaču, pogotovo ako je kinez.
Nadam se da nisam previše ugnjavio ovim podugačkim postom, a isto tako se nadam da sam objasnio (ili barem pokušao objasniti) zašto je dobro da se navedena nadogradnja izvrši i izbjegnu neželjeni problemi.
LP,
milan
---