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Miglioriamo il trasferimento di potenza

Dopo le prove preliminari di comando dei motori era necessario determinare con più precisione le prestazioni effettive. Le prove precedenti sono state fatte alimentando il tutto con una batteria al piombo/gel 12V 1,2Ah attraverso un cavo lungo più di un metro (che portava corrente per entrambi i motori, e quindi oltre 10A).

Con soli 6A di assorbimento ho riscontrato una caduta superiore ai 3..4V, dovuta in parte al cavo, e in parte alla batteria stessa che "si sedeva". Facevo fatica a raggiungere i 5000 rpm, e li potevo mantenere per poco.

Un ulteriore fenomeno presente nei circuiti ad alta corrente e commutazione veloce è l'effetto induttivo dei cavi di alimentazione. Per prova al posto del motore ho messo una comune lampadina ad incandescenza 12V 70W (un abbagliante per automobile) e ho misurato la tensione di alimentazione presente sul modulo switch a mosfet, l'andamento è visibile nella traccia oscilloscopica qui sotto:


In pratica ogni volta che il mosfet si accende (traccia in basso) si crea un buco di tensione (traccia in alto) in quanto l'induttanza della linea non permette un passaggio repentino di corrente. Per lo stesso motivo quando il mosfet si spegne sulla linea si forma un'extratensione che, oltre a poter mettere in alcuni casi in pericolo i mosfet stessi, può generare disturbi captabili dal resto dell'elettronica (microprocessori, ricevitore radio ecc...).

I modi per ridurre questo fenomeno sono fondamentalmente due: accorciare la linea di alimentazione il più possibile (a vantaggio anche della bassa resistenza) tenendo i fili ben vicini l'uno all'altro (o meglio attorcigliandoli) per ridurre l'induttanza, e mettere in fondo alla linea (sul modulo switch) un condensatore elettrolitico in grado di fornire la corrente iniziale e assorbire i picchi. Il condensatore però non può essere un comune elettrolitico, in quanto diventerebbe rovente in pochi secondi e potrebbe scoppiare, va invece usato un elettrolitico speciale ad ESR ultrabassa, alta corrente e alta temperatura.

Mi ripropongo di fare qualche prova con questi elettrolitici appena ne verrò in possesso.


Intanto, per ridurre comunque le perdite complessive, ho sostituito gli switch con il BUZ11 (40 milliohm di resistenza) con un nuovo schema che utilizza, oltre ad un diodo di ricircolo più potente, due mosfet in parallelo di tipo RFP70N06, che hanno una resistenza di conduzione di soli 14 milliohm, ottenendo così uno switch con solo 7 milliohm di resistenza.

Per prova ho fatto passare 6A continui, e ai capi dei mosfet ho misurato appena 35mV.
Il nuovo switch. Il diodo BYW29 (a destra) ha la stessa forma dei mosfet (contenitore TO220) ma senza il piedino centrale.
Al posto della batteria al piombo/gel ho messo tre celle LiPo in serie (11,1V nominali da carica, ma in realtà 12,5V appena caricata) che dovrebbero poter fornire fino a 9,9A continui (anche se è meglio restare molto al di sotto per non rischiare il surriscaldamento).

Il pacco è assemblato "artigianalmente" ed avvolto in un piccolo sacchetto di nylon. L'assemblaggio è un'operazione un pò delicata, sia per il rischio di cortocircuiti (tassativamente da evitare), sia per le lamelle da saldare e isolare una per una che sono sottili e fragili (soprattutto il positivo). A proposito di positivo, sulle Kokam lo stagno aderisce solo su un lato della lamella, mentre su quella negativa aderisce da entrambi i lati.
Le nuove prove le ho quindi fatte con un cablaggio ridotto per un solo motore, 1 metro totale andata e ritorno (che poi verrà ulteriormente ridotto), su cui perdo circa 0,1V switch compreso. Ora raggiungere e mantenere i 5000 rpm non è un problema... per lo meno elettrico....

Dai faston che si uniscono alla batteria partono anche due fili che portano l'alimentazione al circuito di controllo. Da questo circuito parte un filo (per il comando PWM) che raggiunge lo switch. Altre migliorie possono essere l'aumento della sezione del filo (ma aumenterebbe il peso per guadagnare solo pochi millivolt), la sostituzione dei faston della batteria con gli appositi spinotti a banana per alte correnti che si usano in aeromodellismo, e i fili saldati direttamente alle pagliette del motore.

A questo punto ho forato il listello al centro per fulcrarlo su una vite in modo da poter ruotare quando spinto dall'elica posta ad un estremo, e ho misurato la forza sull'altro estremo con semplice sacchetto riempito di oggetti fino a raggiungere il peso voluto, e "appeso" con uno spago sottile ed una ruota di rinvio.

Tirando al massimo si riescono a raggiungere i famosi 460 grammi di spinta, però ho misurato più accuratamente pesi inferiori più interessanti e realistici, per esempio i 310 grammi di spinta si ottengono con un numero di giri più modesto, ma soprattutto con soli 4A di assorbimento.

Se è vero che la spinta minore del previsto mi costringe a rivedere il progetto, è anche vero che con queste misure reali si aprono possibilità di scelta e progetto più concrete. Quattro di questi motori spingerebbero 1,24kg assorbendo solo 16..17A (circa 180W), e con un pacco batterie 3S4P avrei un'autonomia teorica di 20 minuti (soddisfacente visto il mezzo, le difficoltà e i pesi). Da una misura fatta a circa 4600 rpm le batterie sono durate esattamente 14 minuti. Motori e batterie peserebbero circa 960 grammi, struttura, ed elettronica la prevedo di circa 250 grammi, per cui come spinta di base ci saremmo, con la possibilità di tirare (a batterie perfettamente cariche) fino a 1,8kg!