Conceptos básicos del sistema de energía RC

Introducción

Los sistemas de energía integrados y controlados por radio (RC) solían ser bastante básicos, con solo un receptor y algunos servos energizados por una batería de NiCad. Desde entonces, con la introducción de motores eléctricos y otras demandas de energía, los sistemas RC han cambiado bastante. Este blog explica la terminología y los componentes utilizados en los sistemas de energía RC modernos y cómo se configuran comúnmente esos componentes.

El receptor

Los receptores RC (RX) cumplen dos funciones. La primera es interpretar las señales del transmisor y dirigir esos datos al canal adecuado. La segunda es proporcionar un riel de potencia que entregue corriente y voltaje a los diversos servos u otros dispositivos periféricos que ocupan los canales de los servos. El RX necesita un suministro constante de 4.8 a 6 VCC para realizar sus tareas de control (Figura 1). Si el modelo RC está propulsado por un motor de nitrometano o de gas, todo lo que se necesita es una batería de NiCad o NiMH que pueda suministrar voltaje al receptor. En algunos casos, los vehículos RC con motores de gasolina tendrán una batería separada para el sistema de encendido.

Figura 1: Diseño del receptor RC. (Fuente de la imagen: Don Johanneck)

Motores eléctricos

La introducción de motores eléctricos para propulsar un modelo requiere baterías de mayor potencia y un sistema de control del acelerador independiente. El control del motor toma la señal del acelerador del RX y la traduce a través del rango de voltaje de la batería para brindarle al motor todo lo que necesita. Para satisfacer las necesidades de energía del RX, algunos controladores de motor incluyen una salida de 5 voltios dedicada y regulada solo para el RX y se lo conoce como circuito de eliminación de batería o BEC. Esto permite que los diseñadores de sistemas eviten instalar dos baterías. Una para el motor y otra para el RX. También se puede instalar un BEC independiente que se conecte directamente a la batería si el controlador no tiene un BEC o su salida de 5 V no proporciona la corriente adecuada.

¿Motor con escobillas o sin escobillas?

Los motores de CC con escobillas para propulsión en aviones RC tuvieron una vida útil corta y fueron reemplazados rápidamente por motores de CC sin escobillas (BLDC). El controlador de los motores se conoce como control de velocidad electrónico o ESC. Los ESC se clasifican según la potencia de salida y su capacidad para manejar una variedad de baterías de LiPo que se han apoderado del mercado de baterías RC debido a su alta capacidad. La mayoría de los ESC tienen un BEC como se mencionó anteriormente, pero algunos no. El término BEC normalmente se refiere a un circuito regulado lineal que es ineficiente y genera calor. Esto dio lugar al uBEC, que es un regulador de voltaje de tipo conmutado más eficiente.

Figura 2: Sistema de control y potencia RC. (Fuente de la imagen: Don Johanneck)

Mientras que los motores con escobillas se clasifican simplemente por el voltaje de entrada y el consumo de corriente, el motor sin escobillas más popular se clasifica en Kv, que es básicamente RPM por voltio. Si su motor sin escobillas está clasificado en 850 Kv, girará a 850 rpm por voltio aplicado. Una batería de LiPo 4S proporciona aproximadamente 14.8 voltios que harán girar el motor de 850 Kv a 12,580 rpm con la corriente máxima de la batería y sin carga en el eje de salida del motor. El ESC regula el voltaje para brindar un rango completo de control de RPM que es proporcional a la posición del control del acelerador del transmisor (TX).

Determinar el consumo de corriente potencial de un motor sin escobillas requiere un poco de matemática difusa. Tomando el peso del motor en gramos y multiplicándolo por un factor de 3.5, se obtiene la potencia máxima aproximada. Supongamos que el motor de 850 Kv pesa 174 g. Ese motor puede consumir unos 600 vatios de potencia. Como el vataje es el producto del voltaje y la corriente, divida el vataje por el voltaje aplicado para obtener el consumo de corriente aproximado, que es de alrededor de 41 amperios a plena RPM.

Por lo general, un operador de RC no funcionará a máxima potencia durante un vuelo o un viaje, pero, si lo hiciera, un paquete de baterías de 6500 mAh puede hacer funcionar un motor de 850 Kv a plena carga durante aproximadamente 9.5 minutos (6500 mAh/41000 mA = 0.1585 horas).

Baterías LiPo

Los términos LiPoly, polímero de litio o “LiPo” se refieren al mismo tipo de baterías de alto rendimiento. Se eligen en función de lo que el ESC puede gestionar y los requisitos del motor. Convenientemente, la mayoría de las baterías LiPo proporcionan esta información en la etiqueta de la batería, que se desglosa en recuento de celdas, clasificación de amperios por hora y tasa de descarga. La clasificación de voltaje se correlaciona directamente con el recuento de celdas. Como cada celda LiPo produce 3.7 voltios nominales, el valor “S” o en serie se relaciona con la cantidad de celdas en serie que componen el paquete de baterías. Un paquete 2S es de 7.4 voltios, 3S es de 11.1 voltios, y así sucesivamente. La clasificación de amperios por hora se utiliza para determinar cuánto tiempo puede suministrar corriente el paquete con un consumo de corriente conocido. DigiKey tiene una herramienta útil para calcular la vida útil de la batería en función del consumo de corriente (Figura 3).

Figura 3: Tiempo de vuelo estimado - Calculadora de duración de batería de DigiKey. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La clasificación “C” describe el consumo máximo de corriente de la batería que no dañará las celdas. Simplemente multiplique la clasificación “C” por la capacidad en amperios. Un paquete de baterías de 15C, 3200 mAh puede ofrecer un consumo máximo de 48 amperios. La clasificación “C” también es útil para determinar la tasa de carga (Figura 4). Cargar una batería de LiPo correctamente requiere disciplina para evitar daños en las celdas y el potencial de incendio causado por sobrecarga o celdas dañadas físicamente. Utilice siempre un cargador con tasas de carga ajustables, conectores de cables de equilibrio y, si está disponible, un sensor para controlar la temperatura del paquete de baterías. Un paquete o paquetes “hinchados” con daños visibles en las celdas deben desecharse correctamente para evitar la combustión o explosión durante la carga. Es una práctica común elegir una tasa de carga de 1C que se calcula convirtiendo la clasificación de mAh a amperios y cargando a esa tasa. El paquete de 3200 mAh mencionado anteriormente se carga a 3.2 amperios (1C) como máximo. El cable de equilibrio garantiza que el paquete se cargue de manera uniforme y permite al usuario monitorear cada celda utilizando un medidor especial que se conecta directamente al cable de equilibrio.

Figura 4: Tiempo de carga estimado - Calculadora de duración de la batería de DigiKey. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Tenga cuidado de no descargar un paquete por debajo de los 3.7 voltios por celda. La descarga persistente por debajo de este nivel puede acortar la vida útil de la batería y reducir su capacidad.

Un paquete muy dañado debido a una sobrecarga o daño físico puede estallar y salirse de su envoltorio protector, lo que se conoce como “tacoed”, ya que parece una tortilla de taco. No intente cargarlo y tenga cuidado al manipular un paquete "tacoed". Son volátiles e impredecibles en ese momento. Por seguridad, los paquetes LiPo deben neutralizarse y reciclarse cuando ya no se puedan usar.

Resumen

Los sistemas de energía RC pueden ser simples y económicos o llegar a costar cientos de dólares. De cualquier manera, las interconexiones adecuadas y el monitoreo diligente de la batería pueden extender la vida útil del sistema de energía. Es común que el sistema de energía dure muchos años o incluso décadas. Las baterías bien cuidadas pueden durar varias temporadas, pero, a menudo, necesitan reemplazo debido a la descarga rápida constante asociada con los vehículos RC, ¡pero piense en lo mucho que se está divirtiendo!