http://rudolf-fiala.info    Überspannungsspitzen auf der Empfängerspannung durch starke Servos
    Tatsächlich die Ursache für hängenbleibende Microprozessoren?
     
      © Rudolf Fiala,  11.11. 2005  Robbe Stellungsnahme 16.11.05, Zusatz Rückstrom-Sperrdioden 19.11.       



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Der Auslöser diese Artikels ist eine wochenlange Internetdiskussion in einem Forum, an dem ich mich nicht aktiv beteilige. Der Auslöser dieser Diskussion war ein Empfänger-Betriebsfall mit hängenbleibendem Microprozessor außerhalb der Spezifikation, hat mich aber auf die Idee gebracht, ein schon länger bekanntes, jetzt aber schädlich werdendes Phänomen zu durchleuchten:

Hallo Verwender von Servos für eine 5-zellige Betriebsspannungen, aber auch von "Jumbo"-Servos etc. mit großen Ankermassen! Und weiters Verwender von 5-zelligen Akkus!

Beim schlagartigen Umpolen eines Servomotors, das beim scharfen Abbremsen oder bei Überschwing-Korrekturen beim Erreichen der Sollposition auftritt, entstehen durch die Summe von Generatorwirkung des in Schwung befindlichen Bürsten-Servomotors und der jetzt beim Abbbremsen umgepolten Betriebsspannung Spannungsspitzen im Versorgungssystem. Noch anders formuliert: der Motor wirkt in diesem Bremsfall als Dynamo und an den Motoranschlüssen ist kurzfristig - quasi als Impuls bis zum eingetretenen Stillstand oder Laufrichtungswechsel - eine höhere Spannung als üblich vorhanden. Dynamoeffekt und Motor-Betriebspannung addieren sich.
Weitere Induktionseffekte gibt es auch noch, aber die haben unabhängig von ihrer Flankensteilheit (Oberwellengehalt, Transienten) ähnliche Auswirkungen auf die Stromversorgung wie die "reine" Dynymo- oder Gegen-EMK, ich behandle daher die Summe dieser Effekte unter dem Begriff "Effekt". 

Da die Motorenanker ja nur 3-teilig oder 5-teilig sind, sind diese Erscheinungen pulsierend, ihre Spitzenwerte liegen über dem Durchschnittswert, was die Problematik noch verschärft, wie auch einige Details bei der motorantreibenden Servoverstärker-Brückenschaltung.
Das wird bei dieser einfachen Analyse vernachlässigt, der geneigte Leser möge es aber als zusätzliche tatsächlich vorhandene Problemquellen im Gedächtnis behalten.

Aus gegebenem Anlass: Ob für diesen Effekt der altbekannte und früher hier verwendetet unexakte Kurzbegriff "Gegen-EMK" ("Gegen-Elektro Motorische Kraft") beibehalten werden kann? Ich denke schon, denn bei einem mechanisch angetriebenen Generator ist die induktive "Gegen-EMK" tatsächlich der Grund für die Spannungserzeugung. Gegen-EMK hieß sie (früher?) deswegen, weil sie eine Kraft=Widerstand gegen die von Außen aufgebrachte Antriebskraft zeigte und bei Motoren die Ursache ist, dass sich bei der maximalen Leerlauf-Motordrehzahl ein Spannungsgleichgewicht zwischen Betriebsspannung und Gegenspannung ergibt, das eine weitere Drehzahlzunahme verhindert und beim "Idealen Motor" ohne Reibung, Kommutations- und Wirbelstromverlusten einen Betriebstrom nahe Null ergeben würde, weil sich die äussere Spannung und die gegengerichte Induktions-/Generatorspannung fast aufheben würden.

Dank des Induktionsprinzips Wikipedia: "Elektrischer Generator" und für Spezialisten: Lorentzkraft , klingt interessanter als "Gegen-EMK"

Auswirkung dieses Effektes ist umso kleiner, je steifer die Betriebsspannung ist, was einerseits durch den Akku selbst, andererseits durch Blockkondensatoren (Elkos) im Empfänger und in Servos gegeben ist oder sein kann. Und durch eine gute Verdrahtung.

Weitere schaltungstechnische Spannungsstabilisierungsmaßnahmen mit zwangsläufiger Spannungsreduktion im Empfänger reduzieren mögliche Auswirkungen auf Schaltungsteile/Prozessoren im Empfänger. Sprung zur diodenentkoppelten Stromversorgung weiter unten.

Alle diese Abblock- und Stabilisierungsschaltungen sind auf eine bestimmte zulässige Eingangsspannung (=Empfängerbetriebsspannung) ausgerichtet, die im Normalfall um max 20%, zb. Graupner-üblich 6V auf 7.2V, überschritten werden darf. Graupner verweigert definitiv die 5-zellige Stromversorgung um diese 6V prizipiell nicht zu überschreiten.

Von Robbe hat mich dazu am 16.11.05  zum neuen PCM-G3 RX folgende Mail erreicht:

Hallo Herr Fiala,
.......
Der Empfänger R 5014 kann mit 4...5 NC/NiMH-Zellen betrieben werden, also Nennspannung 4,8...6 Volt. Frisch geladene 5 zellige-Empfängerakkus haben natürlich eine Spannungsspitze. Üblicherweise sind Futaba Empfänger bis 7,5Volt Spannungs-fest, einige sogar bis 12 Volt.
Wie bei allen Empfänger 4...5 NC, oder 2 Lipos mit 6 Volt Stabilisator.

Mit freundlichen Grüßen
robbe Modellsport
Harald Schäfer


Die beste Methode, das Überspannungsrisiko zu vermindern, besteht aus einer oder zwei speziellen Sperrdioden ("Supressordioden") direkt oder kürzest am Servomotor, die Spannungen über zB 7.5V kurzschließt. Bei 4-zelligem Servobetrieb liegt diese Spannung so hoch über dem Normalbetrieb, dass einerseits daraus keine Belastungen für die Stromversorgung entstehen können, andererseits aber Gegen-EMK- und Induktions-Spannungsspitzen zB. 7.5 Volt nicht überschreiten.
Somit Blockkondensatoren und Stabilisierungen im spezifizierten und sicheren Bereich arbeiten.

Anders schaut das bei Verwendung von Servos mit höheren zulässigen Spannungen aus oder bei Servos, bei denen eine oder 2 Sperrdiode(n) (edit statt falsch "Freilaufdiode" 20.11.) fehlt oder höher als für die zulässige Empfängerspannung dimensioniert ist 

Wenn ein Servo - aus welchen Gründen auch immer - für zB. 8V zulässigem Betrieb gebaut wurde, ist ihm jetzt wieder 20% Überspannungstoleranz zuzumuten - wäre 9.6V.

Sperrdiode(n) wäre(n) somit auf ca. 10V zu dimensionieren, was bedeutet, dass alle Gegen-EMK- und Induktions-Spannungsstöße bis 10V ins Versorgungsnetz gehen.
Diese 10V-Stöße sind bereits WEIT über der nutzbaren und zulässigen Versorgungs-Grenzspannung (optimistisch ca. 8V) eines Graupner-Empfängers für 4 Zellen.

Erschwerend kommt noch dazu, dass derartige starke Servos ja auch eine entsprechende träge Ankermasse haben, was das Auftreten der Gegen-EMK und Induktionen noch verstärkt und verlängert.


Es MÜSSEN somit Maßnahmen ergriffen werden, um diese Großservo-Spannungsspitzen zu dämpfen, besonders im Zusammenhang mit diodenentkoppelten Doppelstromversorgungen, die schon mehr als 1 Jahrzehnt lang unproblematisch mit hochqualitativen, auch digitalen Servos funktionieren, von denen aber plötzlich Probleme bei neueren Servos berichtet werden.

Was hat sich geändert: Die Servos!

Nach den Erfahrungen in der Vergangenheit sind die bisherig einwandfrei funktionierende Empfänger-Elkos relativ klein, plötzlich scheinbar wegen der neuen Servos zu klein dimensioniert und funktionieren nur zufriedenstellend im Verbund mit einem Akku als stoßladungsdämpfenden Quasi-Elko.
Wenn der Rück-Ladekreis an den Akku durch eine Schottkydiode gesperrt ist, verbleibt die ganze Glättungsarbeit beim Empfänger-Elko, eventuell noch unterstützt von kleinen Servoelkos.

Und diese Elkos können ohne die Glättungseigenschaften des Akkus in Summe für Jumboservos, Drohnenservos und andere Servos mit höherer zulässiger Betriebsspannung schlicht zu klein sein.

Es ist ausdrücklich festzuhalten, dass Graupner nur eine 4-zellige Betriebspannung freigegeben hat, sowohl für die Empfänger, als auch für die Servos. Die wissen sicher, warum!

Weiters ist festzuhalten, dass jener Fall, der in den Foren viele Leute aufgeschreckt hat, mit Graupnerempfängern und 5-Zelligen Akkus dokumentiert wurde.

Das Problem wurde hier "aktiviert": http://www.rc-network.de/forum/showthread.php?t=34685

Die Ursache scheinbar hier gefunden: http://www.rc-network.de/forum/showthread.php?t=36197

(Als Zwischeninformation nach diesen Threads über nicht ganz unproblematische Kondensatoren-Eigenschaften, auch der besten:  http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0810091.htm
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0206113.htm
)

Worauf ich folgende Antwort auf eine ziemlich verspätete Mitarbeitsaufforderung im RC-Line-Forum verfasste:

Hallo E.,

ich habe von Anfang an bei RCN mitgelesen und freue mich, dass EIN TEIL der Schadensursache gefunden wurde.

Ich sage ganz bewusst EIN TEIL, denn der wahre Grund für das Hängenbleiben der Prozessoren und Weitergabe von völlig falschen Failsafe-Stellungen an die Servos ist noch immer nicht geklärt!

Diese Prozessoren arbeiten nämlich an einer intern stabilisierten Versorgungsspannung irgendwo in der Nähe - oder knapp unter - der niedrigsten zulässigen Versorgungsspannung. Also irgendwo zwischen ca.3 und ca.4V, tatsächlich vermutlich ca. 3.3V.

Die Servo-Rückwirkung auf die Versorgungsspannung ist seit Jahrzehnten schon bei PPM (parasitäre Spitzen auf der hinteren Stromflanke) bekannt, darüber wurde auch im Zusammenhang mit Digitalservos 1999 im "Rotor"(E.Manthei, R.Fiala) und "MFI" (R.Fiala) berichtet.

Damals gab es aber überwiegend PPM und erst später SPCM und vor allem keine "Jumboservos". Das im vorigen Jahrhundert störendste Servo war das erste MPX-MC-Servo.

Dieses Problem ist somit kein Geheimnis und zB. im modernen ACT-DDS10 ist ja auch ein relativ großer Elko drinnen und NUR deswegen ist der Empfänger so dick.

 Die absolut unbeantworteten Fragen für die nach Deinen in Foren überbrachten Erkenntnissen gefährdeten Großservo-Modelle:

1) Welche Empfänger wessen Herstellers kommen im Extremfall NICHT mit der empfängerinternen Spannungsglättung aus?

2a) Sind 1 und/oder 2 externe Zusatzelkos ausreichend?

2b) sind die Spannungswerte der internen vorhandenen Elkos für diesen Fall ÜBERHAUPT ausreichend oder "schießen die durch"? 

3) Welche Servotypen sind gefährlich? Auch starke Graupner Servos? 

4) Sind Großservos mit ihren Anlauf- und Regelströmen überhaupt sinnvoll  und von den Empfängerherstellern überhaupt berücksichtigt? 


5) Wieso KÖNNEN die Prozessoren überhaupt "hängen" bleiben? 

6) Wieso gehen dann falsche Failsafewerte an die Servos?  

7) Wieso gibt es keinen automatischen Prozessor-Reset nach zB. 0.5sec oder weniger unter Verwendung des Failsaferegisters für die Servos? !!!

8a) Ist die vom Sender pro Sekunde mehrmalige Weitergabe der Verwaltungs- und Failsafedaten auch mit Prüfsummen abgesichert?

8b) Ist es ein Zufall, dass von mc22-Abstürzen schon mal überhaupt nichts bekannt ist? Weil das Failsafe-Management ganz anders ist?

9) Traten die "berühmten" (S)PCM-Abstürze tatsächlich nur bei Zusatzelko-losen Doppelstromversorgungen auf? 

10) Ist davon ausschließlich Graupner-SPCM-betroffen?


10 Stück plus Zusatzfragen, langt einstweilen. Da habt Ihr genug Futter für RCN.
Die gefunden Ursache ist nur die Spitze des Eisbergs, quasi das "Wimmerl" aber nicht die Grunderkrankung! Für Euphorie und Heurekka ist überhaupt kein Grund. Jetzt schon ÜBERHAUPT NICHT!

Equipment, um allfällige Prozessorprobleme nach Deinem Vorschlag einzugrenzen habe ich als Fernsteueramateur überhaupt nicht. Da müsste wohl Graupner als Betroffener UND Hersteller UND Spezifikationsersteller in seiner Super-Prüfhalle aktiv werden. Die lt. Herrn Robitschko für Graupner tätigen Diplomphysiker und Softwareingenieure sind sicher die qualifiziertesten Detektive.

ABER: Graupner braucht diese Motor-GegenEMK- und Induktions-Ursache gar nicht zu untersuchen, denn mit einer Anwort wie: "Hier bei diesem angeblichen Störfall wird der Empfänger außerhalb seiner Spannungsspezifikation betrieben", wäre schon alles gesagt.

Zusatzfrage: Wenn Graupner das nach Deiner Meinung schon jahrelang bekannt ist, warum wurde nicht eine entsprechende Aufklärungsarbeit betrieben? Von einer Firma, die in vielen Zeitschriften ganzseitige Werbung platziert?

Was wurde nach den ersten Abstürzen unternommen, die möglicherweise auf diesen oder ähnlichen Ursachen beruhen?

Allerdings hat Graupner tatsächlich etwas gemacht: Sie haben immer wieder auf die 4-Zellen-Begrenzung hingewiesen! Im Unterschied zu andern Herstellern werden auch keine Servo-Stellzeiten für 5 Zellen angegeben.


Womit sich die nächste Frage ergibt: Ist einen Verwendung von Servos, die auch mit 5 Zellen oder mehr betreibbar sind, an Graupnerempfängern überhaupt Sicherheits-optimal?

Und wenn ich mir Dein Erstposting mit der Problemdarstellung in RCN anschaue, steht dort Folgendes:

Zitat aus dem Forumsthread:
Nächster Versuchsaufbau, mit ebenfalls fünfzelligem einzelnem Testakku und den beiden Empfängern mit einem Servo dran wieder probiert, alles funzt, aber da halt ohne Diode.
Mit EBENFALLS FÜNFZELLIGEM Akku gegen die Graupner-Empfehlung, was bedeutet, dass Du das scheinbare(?) Problem bei EBENFALLS 5-zelligem Akku außerhalb der Graupner-Spezifikationen diagnostiziert hast. 
 


Allerdings: Diese Prozessorhänger gab es tatsächlich, die Ursache und ihr mögliches Wiederauftreten ist noch immer nicht öffentlich geklärt.


Zusatz:
Auswirkungsreduzierung durch eine getrennte, diodenentkoppelte  Empfänger-/Servo-Stromversorgung

Hier ist eine von mir 1998 veröffentliche Schaltskizze zu meinem PPM-Doppelempfänger-System.
Da hat sogar jedes Servo seine 2 Entkopplungsdioden und die 2 Empfänger ohnedies.

Der spezielle Witz dieser Methode: Störungen, die über die ohnedies sehr schnellen Schottkydioden zurück entwischen könnten(!), landen DIREKT AN DEN AKKUS als Quasi-Kondensator. Diese von mir für mein 2-PPM-Empfängersystem entwickelte Schaltung hat gar nicht das von Eberhard M. beschriebene "Rückschlag-Spannungsspitzenrisiko"

Klarerweise funktioniert das total "abgemagert" auch bei nur einem Empfänger und/oder nur einem Akku:

http://members.aon.at/flug.fiala/sicher.html#grundlagen

Die Schaltung:

Schaltung

Warum da Sicherungen vorkommen, steht im oben verlinktem Bericht.

Und wer Servo-Sicherungen gegen Akku-Entladung im Flug bei 2 Servos pro Ruderfunktion für gar nicht notwendig oder sogar gefährlich hält: Ihr habt sie alle on bord, nämlich versteckt als dünnes Servokabel. Das brennt aber erst leider bei einem sehr hohen Kurzschlussstrom durch, einem von manchem schwachbrüstigen Akku schon gar nicht mehr lieferbaren Strom, der dann innerhalb ein paar Sekunden seine nutzbare Spannung verliert.

Diese Methode der Dioden-Entkopplung zwischen Empfänger und Servos, und somit Dämpfung oder Weiterleitungsblockade allfälliger Spannungsspitze am Akku erspart das derzeit anderswo hochgelobte Placebo zusätzlicher Elkos. Ohne die Grunderkrankung - Liste siehe oben - zu heilen.

Genau deswegen brauchen käuflich erwerbbare sogenannte Stromadapter oder Doppelstromversorgungen keine Riesen-Elkos zum Spitzen-Dämpfen! Die lachen sich höchstens krumm wegen der Elko-Diskussion.
Ein "privater" Elko pro Servo direkt am Servo hat einen ganz anderen Sinn: Er verflacht den rein ohm'schen Spannungsabfall durch die dünnen Servokabel und Stecker bei Servomotor-Anlauf oder -pulsung.

Das war die Vollvariante #1

Variante #2, bei dieser kommen aber alle Servostörimpulse voll zurück auf die Stromversorgung der SERVOS im Empfänger, weil zwischen den einzelnen Servos keine Rückstrom-Sperrdioden vorhanden sind.
Es ist eine uralte TEIL-Lösung aus Amerika, die zwar aus ganz anderen Gründen entstanden ist, hier aber anwendbar wäre, um nicht zusätzliche Stromschienen etc. basteln zu müssen:

Man trennt im Empfänger die Plus-Schiene der Stromversorgung=Steckeranschlüsse auf und verbindet den kompletten Empfangsteil extern mit Diode(n) oder ohne, je nach zulässiger Spannung des RX direkt mit dem(n) Akku(s) bezw. Schalter(n).
Die jetzt nur mehr für die Servos zuständigen Sammelschienen im Empfänger werden eben über die üblichen Akku-Entkoppeldioden angeschlossen.Auch hier werden die Störspitzen in Richtung Akku und somit Richtung Empfängeranschluss gesperrt.

Variante #3, die einfachste Lösung, ohne jede Veränderung des Empfängers! Nach Belieben für Einfachstromversorgung oder Doppelstromversorgung:

Jedes (gefährliche?) Servo wird in der Plusleitung aufgetrennt und 1 (oder 2 bei Doppelstromversorgung) Schottkydioden (5A-Typen) mit der Minusseite(Ring) in Richtung Servo angelötet. Damit sind die Servos auch gegen gegenseitige Störungen entkoppelt, wie auch bei der Methode 1 (Schaltbild), allerdings nicht bei der Variante #2!

Ich erwähne das deswegen, weil Eberhard Mauk am 19.11.05 in RCL auf "aussteigende Servoprozessoren" ohne nähere Angabe hinwies. Nur ein Gerücht? Man wird sehen was in einem sofort eröffneten Fragethread zu diesem Servoausfallthema kommt. Bis heute (Berichtsdatum) - wird ggf hier sofort korrigiert! - keine weiteren Ausfallmeldungen.
Thread bei RC-Line.

3A) Jetzt bei Doppelstromversorgung:
Die Plusseiten der Dioden kommen an die Leitungen zu den Schaltern.

3B) Einfachstromversorgung: Die Plusseite der Diode wird wieder an das aufgetrennte Servokabel in Richtung Stecker gelötet.
Das wars bei Einfach-Stromversorgung schon! Die (unbedingt) Schottkydiode hat jetzt die Funktion "Schnelle Sperrdiode"

Aus rein rechtlichen Gründen , auch wegen der unbekannten Lötkünste etwaiger Anwender gilt für alle diese Varianten "Irrtum vorbehalten".

Die Variante 3B) ist ein uralter Hut, wurde einige Male veröffentlicht und wurde aus einem anderen Grund sicher schon oft verwendet: Nämlich wenn Servos bei 5-zelligen Akkus zum Pendeln neigten als Spannungsreduzierung!

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Rudolf Fiala

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