Een goedkope “brushed” ESC regelaar voor 24Volt en hoge stromen voor grotere tank modellen,

Een project door Jan van Acker

Inleiding

Sinds vele jaren probeer om goed werkende tanks te maken. Mijn voorkeur gaat uit naar de wat grotere modellen, schaal 1:10 of groter. Zo’n tank met een klein motortje vind ik maar niks, daarom dient de motorisatie goed bekeken te worden.

Om zo’n beestje aan te drijven zijn echt wel sterke motoren nodig, sterk betekent hier “hoge stroom”; om deze binnen de perken te houden kunnen motoren gebruikt worden op24V of meer, immers P=U*I, dus hoe hoger de spanning, hoe lager de stroom voor eenzelfde vermogen.
Helaas zijn daar weinig of geen regelaars voor te vinden en indien je er toch eentje kan kopen zijn de prijzen hiervoor vaak een belangrijke hap uit het budget.

ESC (electronic speed controller) in grotere tanks en voor hogere spanningen zijn dus moeilijk te vinden. Ik bouwde er een aantal gebaseerd op een zelf aangepast ontwerp van de Elektuur schakeling speed combi (2001). Maar bij recente omschakeling van 40MHz naar de nieuwere 2,4 Ghz zender ontvanger bleek die niet te willen samenwerken met deze nieuwe ontvanger. Later, na de ontwikkeling van het hieronder beschreven goedkoop alternatief, bleek een simpele herprogrammering dit euvel te verhelpen.

Qua motorisatie zijn de hier beschreven regelaars enkel te gebruiken voor de (goedkope) klassieke brushed motors. De (nieuwere) brushless motoren hebben een hoger rendement maar zijn veel complexer om aan te sturen, daarbij hebben ze vaak een veel hoger toerental  wat in een tank vaak een grotere tandwieloverbrenging vereist.

2. Koop eens een goedkope ESC      brushed regelaar 320A voor minder dan 10 dollar

Via allerlei links kan je goedkope ESC regelaars onder de vermelding “320A Brushed Brush Speed Controller ESC/w Reverse“ op de kop tikken voor belachelijk lage prijzen.(ik vond er aan 8$). De fabrikant vermeldt volgende specificaties :

Electrical parameters: support: the nimh nickel cadmium battery 4-6 group (4.8-7.2 V) The Lithium battery 2 group (7.2V)
The move by lot current: forward 320 A reverse 240 A Brake 250A
The BEC output : 5.6V, 2A
Forward Current: 320A
Back Current: 240A
Voltage range :4.8-8 .4 V
PWM Frequency: 1.5KHZ

Deze hoge stromen moeten m.i. echt wel niet serieus genomen worden; 320 Ampère ofte 320A*7,2V= 2300Watt, das niet niks, en echt onmogelijk door de aangehechte (te) dunne draadjes te krijgen. Echter, voor eenvoudige motoren (bv serie 540)  absoluut bruikbaar met vooruit-achteruit een goeie oplossing voor de kleiner tankmodellen tot bv schaal 1/16.
Wanneer er echter zwaardere modellen moeten “geregeld” worden is dit een ander verhaal en worden deze regelaars minder interessant.
Mijn ervaring is dat je er, zonder enige aanpassing, gerust 12V (max) mee kan sturen op voorwaarde dat je een aparte batterij voor de ontvanger/servos gebruikt. Boven 7,2 volt stelt de BEC nl. serieus teleur.
Aangezien mijn curiositeit niet te stuiten was heb ik een eerste exemplaar gedeeltelijk ontmanteld in de hoop de stuur-elektronica apart te kunnen hergebruiken.

Tot mijn verbazing worden in deze regelaar 6 identieke IRL3803 (of equivalente DAX610) high-power FET’s gebruikt. Deze kende ik al van mijn vorige projecten en zijn ook bruikbaar voor hogere spanningen, volgens de datasheet tot 30V.
In de bestaande regelaar worden deze zowel voor vooruit/achteruit en rem gebruikt waarbij er bij de vooruit 2 in parallel zitten. De Fets zijn in “brug” opgebouwd; waardoor er telkens 2 groepen worden aangestuurd, daarom zijn er ook 4 stuursignalen. In elke draairichting wordt telkens 1 fet “vol” gestuurd terwijl de andere met pulsen de snelheid doet variëren
Deze zgn. “goldfets” hebben een uiterst kleine interne weerstand van 0,006 Ohm en kunnen pieken aan tot max 140 A. Aangezien er per regelaar 6 van deze FET’s beschikbaar zijn die bij hergebruik  -zonder probleem- ook alle 6 parallel geschakeld kunnen worden zijn ze dus ideaal geschikt voor het echt zware werk, theoretisch dus pieken tot 140*6= 800A,.. Duizelingwekkend !.

Voor ik aan de verdere ontwikkeling begon heb ik eerst nog de stuurelectronica op 12V gescheiden van de power trap terwijl die aangesloten werd op 24V, dit zou nl een mooie oplossing kunnen zijn indien de stromen niet hoger dan, pakweg 30A zou zijn.  Helaas, wat ik ook probeerde, nooit kreeg ik meer dan 17Volt op de motoraansluitingen, voor 24V motoren dus niet bruikbaar.Er is altijd een spanningsval van ongeveer 4 volt op een deel van de brugschakeling. Dit komt omdat alleen N Fet’s worden gebruikt en deze eigenlijk niet echt geschikt zijn om op die manier geschakeld te worden. In een brug moeten eigenlijk nl altijd N en P Fets samen gebruikt worden.

Met een osciloscoop werd al vlug op de stuurelectronica de betreffende FET stuur signalen voor vooruit en achteruit gevonden. Bij nameting staat hier 19Volt op! Er zit dus een “spanningsopkrikker” in de stuurelektronika De Fet’s werken beter bij een hogere gate spanning, daarom dus. Toch zijn deze signalen direct aansluitbaar, mits enkele simpele  basisbeveiligingen aan de nieuwe eindtrap die op 24Volt werkt, waarbij 2 zware 12V relais gebruikt worden voor de vooruit/achteruit schakeling en dus geen brugschakeling meer nodig is
Inderdaad, deze relais voor vooruit/achteruit nemen wel wat plaats en gewicht in maar in een groot model mag dit geen probleem zijn; daarbij kunnen alle 6 de FETS dus gewoon parallel geschakeld worden om zo écht grote stromen aan te kunnen. In realiteit reken ik voor continu gebruik op 20/30A per FET (de fabrikant schrijft een “contious current” van 98A per Fet), wat de totale stroom dus op meer dan 100 A, ofte 100*24= 2400 Watt per regelaar in continue toelaat.

3. De “Hong-Kong” regelaar      ontmanteld:

De bestaande regelaar moet uiteraard eerst wat aangepast worden; hiervoor is een standaard soldeerbout van +/- 20 à 30 watt nodig en ook een kleiner model, ik gebruik een 8 Watt ERSA, voor de delicate punten.

 

• De regelaar openmaken

De plastiek behuizing vd regelaar is simpel open te maken (foto1), de koelvin en het contactrubber is makkelijk te verwijderen. De koelvin wordt later herbruikt om de nodige 7812 12V spanningsstabilisator te koelen.
Vervolgens wordt met een kleine soldeerbout de schakelaar bedrading weggehaald en de aansluitpunten kortgesloten.(foto2). Hiermee staat de regelaar altijd “aan”. Opgelet, de stuur elektronica bestaat uit 2 op elkaar gemonteerde printjes en is nogal gevoelig voor een al te brute aanpak,..

Foto 1, de regelaar ontdaan van zijn behuizing en koelvin.

Foto 2, de schakelaarbedrading wordt weggehaald en kortgesloten.

• De bedrading en de FETs afhalen,… een secuur werkje,

Na de bedrading (motoraansluiting en voedingsdraden) kunnen ook de FET’s voorzichtig worden afgesoldeerd, ik gebruik hiervoor een “zwaarder” Velleman 30 watt soldeerbout. De 3 aansluitpunten per FET moeten, langs de onderzijde v/d print, alle 3 tegelijkertijd worden verhit, pas dan kan de FET er voorzichtig afgehaald worden.

Foto 3, Gebruik de juiste soldeerbouten, 30w voor de FETs, 8w voor het fijne werk.

Goed opletten dat kleine SMD componenten aan de stuurpinnen (de GATE) niet geraakt worden en als alle FETs verwijderd zijn goed controleren op eventuele, ongewenste overbruggingen tussen de printsporen. Het resultaat ziet er dan uit zoals foto 5. Hierop zijn tevens ook al de stuuraansluitpunten voor de vooruit/achteruit met draadjes verbonden. Deze worden later de punten A (achteruit) en B (vooruit) in de elektronica schakeling. De voedingsspinning (max12V) voor de stuurelektronica moet eveneens voorzien worden ( bv. langs onder, de boven en onder contactpunten zijn immers “doorgemetaliseerd”)

Foto 4, printje en FET’s klaar voor de volgende stap.

Foto 5, de stuurelectronica klaar voor gebruik.

4. De extra stuur en beveiligings  electronica.

Om het geheel op een correcte manier te laten werken heb ik een passende elektronica ontworpen : Enerzijds de stuur elektronica en anderzijds de eindtrap en de relaissturing. De gebruikte componenten zijn absolute standaardcomponenten die in elke elektronica zaak verkrijgbaar zijn. Alle weerstanden kunnen ¼ watt zijn.

• De schakeling nader bekeken :

In principe kunnen de regelsignalen A en B direct aan de FET’s  gekoppeld worden. Alleen, als beide uitgangen aan elkaar gekoppeld worden, om zowel in de vooruit al achteruitstand een regeling te hebben, werkt de zaak niet. Ook niet wanneer er voor beide signalen een diode in serie wordt geplaatst. De enige oplossing is hiervoor een echte “OF” poort te gebruiken. Daarom worden de 2 NOR poorten 1A en 1B, van IC1 (CD4001) gebruikt. De uitgang van IC1B, kan direct op de FETS aangesloten worden.
Echter bij inschakeling van de regelaar worden hierdoor altijd een aantal stuursignalen naar de eindtrap gestuurd wat resulteert in een ongewenst draaien van de motor wat toch wel gevaarlijk kan zijn. Deze tijdelijke stuursignalen duren slechts een seconde en moeten dus “uberhaupt” onderdrukt worden. Hiervoor dienen de NAND poorten IC2d en IC2c van IC2 (CD4011). De condensator wordt bij inschakeling door de weerstand langzaam opgeladen en na ongeveer 2 seconden wordt de ingang b van IC2d hoog. Pas vanaf dat moment worden de signalen naar de eindtrap doorgegeven.

 

De achteruitsturing gaat via een relais die, wanneer de knuppel vanuit de middenpositie naar achteruit gaat, ingeschakeld wordt. Dit is het geval wanneer de stuursignalen op uitgang A van de regelaar actief beginnen te worden. De BC547 transistor versterkt deze ingang. Elke puls via deze pen A wordt hierdoor een logische 1 op poort IC2a (ingang1) van IC2 (CD4011). De 2^de voorwaarde om de achteruit in te schakelen is dat er zeker geen puls komt via uitgang B die enkel actief is in de vooruit stand. Dit om te vermijden dat het relais op geen enkel verkeerd moment kan omschakelen. Indien dit bv onder vollast zou gebeuren kan dat catastrofale gevolgen hebben. De uitgang B van de regelaar is daarom ook aangesloten op de NAND poort2 van IC2A via een invertor bestaande uit IC1d. Wanneer ingang B niet actief is en ingang A actief wordt dus de uitgang van IC2B (pin 4) actief. Deze uitgang heeft een terugkoppeling met ingang 1 van IC2a waardoor een simpele puls volstaat om de darlingtontransistor BC337 actief te maken en het relais op zijn beurt te activeren. De situatie wordt pas gereset wanneer ingang B actief wordt.

Aangezien hier zware relais gebruikt worden is het aan te raden om die niet via de 12V spanningsstabilisator 7812 te sturen. Deze regelaar zorgt voor een constante 12V spanning die ook regelaar elektronica voedt. Aangezien de ingangsspanning 24V is moet deze regelaar hard werken. Wanneer deze dan nog eens extra belast wordt met de stroomvoorziening van beide relais wordt de zaak serieus heet.

Mijn meter gaf 330 mA als totaalverbruik aan wanneer ook deze relais geaktiveerd waren. De 7812 moet dan 24V-12V*0,33A= 4 watt in hitte opstoken wat eigenlijk teveel is. Daarom is het beter om de beide relais (elke relais heeft nl maar 1 wisselcontact) in serie te plaatsen. Aansluitpunt 5, zijn de de relaisaansluiting kan dan direct op de 24V spanning worden aangesloten om zo dus de 7812 niet te belasten. De totale gemeten stroom blijft dan met ongeveer 85mA aanvaardbaar. Toch is het aangewezen om deze regelaar van een koelvin te voorzien. Ik gebruikte daarvoor de gerecupereerde originele koelvin van de regelaar.

• De opbouw van de extra elektronica.

De schakeling is zeer eenvoudig en opgebouwd met enkel standaard elektronische componenten rond 2 poort IC’s. Ik heb de stuurtrap gewoon op een gaatjesprint gemonteerd. Iedereen die een beetje overweg kan met die componenten en kan solderen kan deze zaak bouwen. Onderstaande foto toont de complete stuurtrap.

Vergeet de 12V aansluiting voor de regelaar zelf niet. Door de 12V voedingsspanning voor de originele ESC elektronica is de BEC van deze schakeling niet te gebruiken en moet de ontvanger en bijhorende servo’s via een aparte accu worden gevoed. Ik gebruik hiervoor 4 standaard  NiMh C cellen, goed voor 5V 4Ah; in grotere modellen mag dit geen probleem zijn.
Opgelet met Li-Ion of Li-Polymeercellen, deze hebben nl een spanning tussen 3;7 en 4,2V per cel. 1 cel is te weinig en 2 te veel. De ontvangervoeding moet absoluut op +/- 5V liggen (6V is eigenlijk al te veel). 2 Li-Po cellen in serie  leveren 7,4 – 8,2V wat teveel is.
Voor de verbinding tussen de regelaar en de ontvanger worden dus maar 2 draden gebruikt, nl de massa en de stuursignalen. De doorverbinding van de voedingsspanning, komende van elke regelaar, dient dus onmogelijk gemaakt te worden. Dit kan eenvoudig door de rode + draad uit het aansluitstekkertje te halen en te isoleren.

5. De power unit

Nu de stuurelektronica klaar is komt het “zware werk” nl de power unit. Deze is echt eenvoudig en bestaat uit het FET’s en vrijloop diode gedeelte en de beide vooruit/achteruit relais.

Het hieronder getekende aansluitschema is simpel. Tevens heb ik ook de verschillende aansluitdetails bijgevoegd.

 

• Vooruit/achteruit via relais

 De vooruit/achteruit sturing wordt dmv 2 samengevoegde zware 12V autorelais gerealiseerd. Elk van deze relais moeten minimum 1 wisselcontact hebben dat geschikt is om de voorziene stroom. (30A of hoger) te verwerken. Op de relais staat 30A vermeld, dit is de stroom die ze kunnen schakelen; echter worden de relais aan/uit geschakeld als de stroom praktisch nul is. Als abrupt van vol vooruit direct naar vol achteruit wordt geschakeld kan dit wel eens wat veel van het goede zijn voor de arme schakelcontacten, voorzichtig regelen blijft dus de boodschap. Eens ingeschakeld kunnen ze zonder problemen een veel hogere stroom doorlaten. Deze relais kunnen gemakkelijk gerecupereerd worden bij bv. een autoafbraak of zijn te koop in elke standaard autozaak. Let goed op dat er een wisselcontact op zit; er zijn nl. nogal wat gelijkaardige types die enkel een maakcontact hebben.
Beide relais worden aan elkaar vastgemaakt. De stuurspoelen worden in serie geplaats en zijn daardoor geschikt om op 24V te werken. Hierdoor kunnen ze direct op de 24V boordspanning worden aangesloten om zo de spanningsregelaar 7812 te ontzien. De beide relais nemen ongeveer 300mA voor hun rekening.

2 relais worden aan elkaar verbonden en fungeren dan als één geheel. Een standaarddiode (reeks 1N400X) fungeert als vonk – storingsonderdrukker.
Voor de aansturing worden deze in serie geschakelde spoelen (punt 5) enerzijds direct aan de +24V verbonden en anderzijds via punt 4 (zie schema) met de colector van de aanstuurtransistor (BC337) die de de V/A relais dus aanstuurt .

• De FET/vrijloopdiode power trap

De 6 gerecupereerde FET’s worden netjes parallel aan elkaar geschakeld. Let er op dat de metalen kant van de behuizing niet met de +24 of de massa in contact komt.
De Fets kunnen direct op bv een metalen alu profiel worden gemonteerd en doorverbonden met de relais/motoraansluiting. Deze FET behuizingen mogen hier dus wel met elkaar worden doorverbonden. Het alu profiel moet wel geisoleerd worden ingebouwd, immers de metalen behuizing van de FET’s worden via het alu profiel met elkaar doorverbonden; echter is dit de motoraansluiting (en niet de massa) dus ofwel de FET’s individueel isoleren ofwel het gehele alu profiel van de rest van de tank elektrisch scheiden. Naast de Fets kunnen ook de vrijloopdiodes gemonteerd worden. Opgelet deze diodes zijn op hun beurt elektrisch te isoleren van de FET’s die reeds doorverbonden zijn via het alu profiel. De 4 verbindingen tussen de regelaar aansluitingen zijnde +24V,-24V, FET aansturing en relaisaansturing kunnen dmv gewone draden gebeuren; de stroom die hier door loopt is nl miniem.

Gebruik voor de batterij/motor aansluitingen draad met voldoende diameter die tegen de hoge stromen kunnen; ikzelf gebruik daarvoor 2,5mm2 draad. Uit ervaring weet ik dat dit eigenlijk te weinig is,..

Eerst goed uittesten,.. daarna de tank in,.. en rijden maar,..

6. Nabeschouwing

De goedkope regelaars vormen echt een goed alternatief. De regeling in de lage toeren zou wel wat beter kunnen. Ondertussen heb ik de oorspronkelijke regelaars ook met de nieuw 2,4 GHz installatie aan de praat gekregen en zal ik deze waarschijnlijk terug inbouwen,.. ‘k heb dus enkele regelaars beschikbaar die in een volgende tank zullen worden gebruikt.

 

Jan Van Acker,  februari 2014