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FMT-EXTRA: LEISTUNGSTRÄGER


FMT Extra - epaper ⋅ Ausgabe 21/2020 vom 20.03.2020

Ohne sie geht im RC-Modellflug nichts: Steckverbindungen. Ob Empfänger, Servos, Akkus, Einziehfahrwerke, Beleuchtung - sie alle müssen irgendwie angeschlossen werden, um die benötigte Energie und Steuersignale für ihre Funktion zu erhalten. Detleff Rosner gibt in diesem Artikel einen Überblick über die im Modellflug gängigen Steckverbindungen und erklärt, worauf bei der Auswahl zu achten ist.


RC-ELEKTRONIK

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Bildquelle: FMT Extra, Ausgabe 21/2020

Steckverbindungen im Flugmodell

Man kann in einem Flugmodell viele Komponenten verlöten und verschrauben, aber nicht alle. Ein Akku muss zum Laden in der Regel ausgebaut werden, ein Servo getauscht, weil sein Getriebe „Kariesbefall“ zeigt. Dazu muss das betreffende Element von Stromkreis und Signalquelle getrennt und sein Ersatz wieder angeschlossen werden. Das geht am besten mit einer einfach zu lösenden Verbindung, in unserem Fall ist das die Kombination Stecker- Buchse. Sie stellt den elektrischen Kontakt zwischen den Bauteilen her, welcher den Stromfluss ermöglicht und die elektrische Energie möglichst verlustfrei bzw. das Steuersignal unverfälscht überträgt. Und diesem Kontakt wird ganz schön viel abverlangt!

Ein bisschen Theorie

Stecker und Buchse sind zwei stromführende Kontaktstücke. Werden diese durch Zusammenstecken miteinander verbunden, so erhöht sich der elektrische Widerstand gegenüber einem ununterbrochenen Leiter gleichen Querschnitts. Dieser zusätzliche Widerstand wird als Kontaktwiderstand oder Übergangswiderstand bezeichnet. Er setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:
• Engewiderstand RE
•Fremdschichtwiderstand RF

Der Engewiderstand RE entsteht durch die mikroskopische Unebenheit einer Kontaktfläche. Dadurch ist die wirksame Berührungsfläche kleiner und der Stromfluss wird eingeengt. Man kann das mit dem Fluss in einem Leitungsrohr vergleichen, dessen Querschnitt plötzlich geringer wird. Der Engewiderstand ist von folgenden Faktoren abhängig:

• spezifischer Widerstand des eingesetzten Materials;
• Oberflächenunebenheiten;
• Anzahl der wirksamen Kontaktflächen.

Jede Oberfläche - und sei sie noch so spiegelglatt poliert - hat mikroskopisch kleine Unebenheiten. Presst man zwei Oberflächen aufeinander (z.B. durch Federkraft), so erfolgt die „Berührung“ nur an den Spitzen dieser Unebenheiten. Je mehr es davon gibt und je größer die Kontaktpunkte sind, desto besser ist der Kontakt. Druckkraft (Federkraft), Härte und Festigkeit des Oberflächenwerkstoffs haben ebenfalls einen Einfluss auf den Engewiderstand.

Der Fremdschichtwiderstand RF entsteht auf der Kontaktoberfläche durch eine Fremdschicht, die den Widerstand erhöht. Das kann z.B. Verschmutzung sein oder Oxidation. Zur Vermeidung von Oxidation werden deshalb Kontaktflächen mit Edelmetallen wie Gold, Silber, Platin oder Palladium beschichtet. Der Kontaktwiderstand ist die Summe der beiden Komponenten:

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Es gibt Berechnungsformeln für RE und RF, aber es geht auch empirisch: der Übergangswiderstand RK an zwei Kontakten lässt sich aus dem Spannungsabfall ΔU an der Steckverbindung und dem Strom I durch die Steckverbindung gemäß der bekannten Formel:

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ausrechnen. Die Messung erfolgt in Vierleitertechnik. Wird ΔU in Millivolt und I in Ampere gemessen, erhält man den Kontaktwiderstand in Milliohm. Je kleiner dieser ist, desto geringer ist der Leistungsverlust über die Steckverbindung; der steigt mit dem Quadrat der Stromstärke gemäß der Formel:

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Ist die Verlustleistung bekannt, kann aus der Formel der Spannungsabfall an der Steckverbindung berechnet werden.

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Beispiel: Angenommen, ein Empfänger wird über eine Servobuchse mit Spannung versorgt. Der Kontaktwiderstand beträgt ca. 5 Milliohm/Kontakt, es fließt ein Strom von 5 A.

Die Verlustleistung je Kontakt beträgt: P = 52×5 = 125 mW (Milliwatt). Der SpannungsSpannungsabfall je Kontakt beträgt 125/5 = 50 mV (Millivolt). Da wir stets zwei Kontakte haben (+ und -), ist die Ausgangspannung um 100 mV geringer als die Eingangsspannung. Dient als Energielieferant ein 5 V-BEC (gängig bei vielen Controllern), dann wird unter Vernachlässigung der Kabelverluste der Empfänger mit 4,9 V versorgt. Werden diese sinnvollerweise mitberücksichtigt, sind es nur noch ca. 4,8 V. Sind im Modell lange Servozuleitungen verlegt, hat das weiteren Spannungsabfall zur Folge. Deshalb bevorzuge ich - wenn möglich - die Einstellung 6 V. Damit ist man auf der sicheren Seite.

Welche Steckverbinder kommen zum Einsatz?

Klare Antwort: viele. Das Sortiment ist groß, wird mit zunehmendem Leistungsdurchsatz im Elektroflug stetig erweitert und das vorhandene verbessert

Prinzipiell unterscheiden wir ganz grob zwei Kategorien:

Steckverbinder für kleine Leistungen. In diese Kategorie fallen die Anschlüsse für Empfänger (BEC-Systeme), Rudermaschinen/ Servos, Fahrwerke, kleine Antriebe in leichten Modellen (Shockys), Beleuchtung etc. mit einer Versorgungsspannung von 5 bis 9 V und einem Arbeitsstrom von bis zu ca. 10 A.

Hochstromstecker. Sie verbinden Motoren mit ihrem Drehzahlsteller, Drehzahlsteller mit Akkus, Akkus untereinander, Ladestationen mit Akkus etc. Der Spannungsbereich geht bis zu ca. 50 V (14s), der Arbeitsstrom erreicht in Sonderfällen (Wettbewerbsmodelle) auch 200…250 A.

Anti-Blitz-Versionen

Ja oder nein und ab welcher Spannung/Strom? Warum blitzt es überhaupt beim Anstecken eines Akkus?

Beim Anstecken eines Akkus werden im Controller zuerst die Kondensatoren im Eingang aufgeladen. Ihre Anzahl richtet sich nach der Leistung des Reglers. Die Kapazität eines Kondensators beträgt meistens 330 oder 470 μF. Beim Aufladen fließt für Sekundenbruchteile ein sehr hoher Strom. Je höher Spannung und Akkukapazität sind und je geringer sein Innenwiderstand, desto höher sind der Stromstoß und die dabei freigesetzte Energie. Diese entlädt sich in Form eines Blitzes am ersten Kontaktpunkt, was oft zu Abbrand an den Berührungspunkten führt und somit Beschädigungen zur Folge hat.

Steckverbinder für kleine Leistungen

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Daher empfiehlt es sich, ab 4s und hoher Akkukapazität/ geringem Innenwiderstand Anti-Blitz- Systeme einzusetzen. Die eingebauten Widerstände „puffern“ den Einschaltstromstoß wirkungsvoll ab; wenn überhaupt, kommt es zu einem kleinen Funken, der keinen Schaden anrichtet.

Zum Schluss noch ein Hinweis zu Kabelquerschnitten:

Auch der bestens an seine Aufgabe angepasste Stecker nützt nichts, wenn die falschen Kabel verwendet werden. Nun kommt sicher niemand auf die Idee, 100 A durch einen Kabelquerschnitt von 0,5 mm2 zu jagen. Radio Eriwan würde auf diese Frage antworten: „Im Prinzip ja, aber nur einmal…“

Was die Energieversorgung betrifft: Hier nimmt uns der verwendete Akku die Entscheidung ab, weil die Kabel vorgegeben sind. Dann müssen - falls nicht schon herstellerseitig konfektioniert - lediglich die Steckverbinder zum Verbraucher angelötet werden.

Für die Servokabel in Rumpf und Fläche sind Querschnitte von 0,25 bis 0,5 mm2 in den meisten Fällen ausreichend.

Die Tabelle rechts gibt eine kurze Übersicht für Kabelquerschnitte (Litzen) im „modellbautypischen Kurzzeitbetrieb“, wie sie von den meisten Firmen empfohlen werden und sich in der Praxis bewährt haben.

Schlusswort

Wie schon eingangs gesagt: Das Sortiment ist (erfreulicherweise) vielfältig und gut angepasst. Ich hoffe, dass dieser Bericht auch für Sie eine Entscheidungshilfe ist. In diesem Sinne: allzeit gut Strom (am richtigen Stecker)!

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Hochstromstecker

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Erläuterungen zu den Tabellen und Tipps

Die in den Tabellen gelisteten (und geprüften) Steckverbindungen stammen aus dem Lieferprogramm der Firmen:
• Muldental Elektronik GmbH https://m-el.eu
• Nessel-Elektronik www.Nessel-Elektronik.net
• Akku-Onlineversand www.akku-onlineversand.de
• Hacker Motor GmbH www.hacker-motor.com
• Der Himmlische Höllein www.hoelleinshop.com
• JETImodel (im Vertrieb der Hacker Motor GmbH)

Sie genügen den im Modellbau geltenden hohen Anforderungen betr. Qualität und Verfügbarkeit. Sämtliche Kontaktflächen sind hartvergoldet; vor dem Prüfvorgang wurden die Kontakte mehrfach gesteckt und getrennt, um evtl. Verunreinigungen auf der Kontaktfläche zu lösen bzw. den Sitz zu prüfen (Stecker muss auch nach 100 Zyklen stramm in der Buchse sitzen).

Der Kontaktwiderstand wurde aus Spannungsabfall an der Steckverbindung und dem Durchgangsstrom berechnet. Beide Werte wurden mit kalibrierbaren Präzisionsinstrumenten gemessen. Als Spannungsquelle diente ein bis 40 A belastbares, regelbares Schaltnetzteil, als Lastwiderstand eine programmierbare Stromsenke. Der Laststrom wird konstant gehalten. In den Tabellen werden der minimale und der maximale Messwert angegeben.

Die Werte von Impuls-bzw. Dauerstrom sind Herstellerangaben oder wurden mangels dieser berechnet. Auch Produkte gleichen Typs (z.B. 4,0 mm Lamellenstecker) können je nach Hersteller/Ausführung unterschiedliche Angaben betr. der Strombelastung haben. Bitte beachten Sie beim Einsatz stets die Angaben des jeweiligen Herstellers oder Händlers!

Die Steckverbindung immer auf den höchsten zu erwartenden Dauer- bzw. Impulsstrom auslegen. Lieber einen Tick größer als zu klein, das hat noch nie geschadet. Dasselbe gilt für die Anschlusskabel.

Stets auf strammen Sitz des Steckers in der Buchse achten! Labbrige Verbinder führen neben unnötigen Spannungsverlusten oft zu Abbrand an den Kontakten und kräftiger Wärmeentwicklung! Das wiederum erhöht den Kontaktwiderstand, die Verlustleistung nimmt weiter zu, die Temperatur erhöht sich noch mehr, manchmal bis zum Ablöten der Kabel.

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