FPV NOISE zaklocenia fpv kondensatory filtracja

Filtracja zasilania FPV – kondensatory i filtry LC

Budując pierwszy model wielowirnikowca opartego na podglądzie FPV (ang. First Person View – pierwszoosobowym), możemy już przy pierwszym locie w goglach FPV być zdegustowani jakością odbieranego obrazu. Oczywiście mowa o transmisji analogowej obrazu na paśmie 5.8 GHz (na 1.2GHz ten problem także występuje). Podczas lotu modelu możemy ujrzeć na ekranie gogli dodatkowo liczne pasy wzdłuż, bądź poprzek obrazu. prążki. Magą to być także przebarwienia rosnące wraz z wyższą pozycją drążka gazu w aparaturze. W skrajnych sytuacjach praca silników może powodować całkowity zanik obrazu, śnieżenie, czy nawet całkowitą degradację obrazu z kamery FPV. Do tego stopnia, że wykonanie lotu nie będzie możliwe (nieczytelne, niewyraźne odbierane wideo). Cyfrowa transmisja wideo za pośrednictwem WiFi 2.4GHZ, bądź 5.8GHz będzie natomiast borykała się z innymi problemami w stosunku do analogowej. Znaczne opóźnienia, podatność na sieci innych sąsiadujących urządzeń, wzajemne zakłócenia linku RC i wideo, itp.

Dlaczego obraz FPV z modelu ulega degradacji?

Przyczyn oczywiście może być kilka. Zaczynając od:

  • niedopasowanych anten w nadajniku wideo VTX i odbiorniku;
  • za niskiej mocy nadawczej nadajnika do aktualnego terenu;
  • źle ułożonych anten w modelu, innego kanału w VTX i goglach;
  • niewystarczającą filtrację jego zasilania.

W tym artykule skupimy się na ostatnim zagadnieniu, czyli jaką rolę odgrywają kondensatory i filtry LC podłączone do głównego zasilania modelu.

Szpilki w zasilaniu modelu…

Generatorami zakłóceń, tzw. szpilek w zasilaniu każdego modelu RC są najczęściej silniki (szczotkowe, jak i bezszczotkowe).

Racerstar 2204 2300kv motor
Racerstar ESC 20A
Silnik bezszczotkowy wraz z podłączonym do niego Elektronicznym Regulatorem Prędkości (ESC)

Naprzemienne, szybkie wytwarzanie i przemieszczanie się pola elektromagnetycznego na stojanie silnika wprawia wał / dzwonek w ruch. Ten z kolei potrafi działać jak prądnica, a więc część energii ponownie wraca do głównego obwodu zasilającego. Część jest zamieniana także w ciepło. W przypadku niewystarczającej filtracji ESC – powstałe szpilki (tętnienia) napięcia rozchodzą się na cały obwód zasilający nasze elementy elektroniczne. Mogą także przepływać do akumulatorów, a stąd ponownie do całej sekcji zasilającej.

W efekcie – podczas pracy silników – możemy zaobserwować liczne zakłócenia w odbieranym obrazie FPV. Przykład poniżej:

zaklocenia FPV

Jednak niewystarczająca filtracja zasilania objawia się nie tylko pogorszeniem jakości wizji. Potrafi także wpłynąć na pracę kontrolera lotu, a w szczególności na żyroskop oraz akcelerometr. W takim przypadku – kopter może reagować z opóźnieniem na nasze ruchy drążków, wykonywać niektóre ruchy niezbyt płynnie , czy nawet ,,pływać” podczas lotu.

Przy bardzo czułych elementach elektronicznych – wysokie i szybkie skoki napięcia zasilania mogą trwale uszkodzić ESC, FC, a nawet wszystkie podzespoły naszego modelu.

Podzespoły z niewystarczającą filtracją

Tętnienia oraz szpilki w zasilaniu modelu największy wpływ będą miały na elementy elektroniczne podłączone bezpośrednio do niewygładzonego źródła napięcia. Jeżeli Elektroniczne Regulatory Prędkości silników nie będą w stanie wygładzić napięcia podczas pracy silników – tak zakłócone napięcie będzie rozchodziło się wszelkimi ścieżkami i kablami po reszcie podzespołów.

Opis wszystkich składowych podzespołów wielowirnikowców oraz niezbędnego do nich wyposażenia przeczytasz w tym artykule.

Czy tylko ESC powinny posiadać wystarczająco dużą pojemność obwodu? Oczywiście kontroler lotu i wszelkie przetwornice napięcia także powinny być odpowiednio zabezpieczone przed skokami i spadkami napięcia…
W moim przypadku – modelu quadcoptera 250 zbudowanego m.in. na:

  • regulatorach Racerstar Lite 20A BB1;
  • silnikach Racerstar BR2204 2300KV;
  • PDB Matek v3.1;
  • SPRCAING F3 Deluxe;
  • Micro MinimOSD;
  • Kamerze FPV Eachine 1000TVL;
  • VTX Eachine TS5828.

Winowajcą zakłóceń okazały się oczywiście silniki, ESC oraz PDB. Przetwornice napięcia 5V i 12V na PDB Matek, poprzez zbyt małą pojemność i filtrację zasilania dodatkowo potęgowały szumy w zasilaniu. Pierwsze loty nowo zbudowanym modelem były powodem do zastanowienia:

FPV noise VTX
Wycinek z nagrania DVR z widocznymi zakłóceniami FPV (białe pasy).

Dlaczego obraz FPV mam tak poszatkowany i niewyraźny podczas latania?
Przecież póki silniki nie obracają się, wszystko jest prawie ok…
Prawie, bo jak po długim przeszukiwaniu Internetu i forum internetowych – posiadacze Płyt Dystrybucji Prądu Matek v3.1 skarżyli się na kiepską filtrację głównej sekcji zasilania.

Matek v3.1 PDB
PDB Matek v3.1

Objawiało się to tym, że w czułych na wszelkie tętnienia zasilania nadajnikach wideo i kamerach FPV – pojawiały się zakłócenia obrazu spowodowane pracą samych przetwornic 5V i 12V na PDB…! Jak sobie z tym poradzić? Na pomoc przychodzą kondensatory elektrolityczne oraz filtry LC (cewka-kondensator).

Filtracja zasilania

Rolę pochłaniacza ,,szpilek” napięcia, generowanych przez silniki najlepiej spełniają kondensatory. Czyli elementy elektroniczne zdolne do magazynowania energii elektrycznej.

Kondensatory zbudowane są z dwóch okładek oddzielonych od siebie materiałem słabo przewodzącym prąd elektryczny. Stosowane symbole kondensatorów pokazują w uproszczeniu ich budowę:

Symbol kondensatora

W przypadku prądu stałego – najczęściej wykorzystywane są jako filtry napięcia, czyli normalizują skoki napięcia w obwodzie. Pochłaniają wszelkie nieporządne ,,szpilki”, a także oddają zmagazynowaną energię, gdy napięcie obwodu zaczyna spadać (względem napięcia wejściowego – zasilania).
Cechy kondensatorów:

  • maksymalne napięcie pracy – wyrażone w [V] (volt-ach);
  • pojemność wyrażona najczęściej w częściach [F] (Farad-ach) 1F = 1000000000 nanoFarad-ów;
  • rodzaj: elektrolityczne, polimerowe, ceramiczne, tantalowe;
  • spolaryzowane (posiadające bieguny + i -) oraz niespolaryzowane (dowolna polaryzacja);
  • itd.

Z uwagi na panujący trend zmniejszania wymiarów elementów elektronicznych tworzących gotowy kopter – na płytach FC, ESC, VTX znajdziemy zazwyczaj kondensatory w wersji SMD (montaż powierzchniowy):

Kondensatory SMD
Przykład kondensatorów przeznaczonych do montażu powierzchniowego (SMD)

W przypadku filtracji napięcia głównej sekcji zasilającej modelu wykorzystuje się jednak znacznie większe – kondensatory elektrolityczne:

kondensatory elektrolityczne zwykle low ESR
Kolekcja kondensatorów elektrolitycznych

Kondensatory elektrolityczne (z uwagi na budowę i wymiary) potrafią magazynować znacznie większe pokłady energii w stosunku do SMD.

Jaki kondensator potrzebujemy?

Typ potrzebnego kondensatora już znamy: elektrolityczny.
Musimy jeszcze znać napięcie zasilania naszego modelu i potrzebną pojemność dla nowego kondensatora. Napięcie zasilania, czyli napięcie baterii, jakie podłączamy do modelu. W przypadku zasilania z baterii LiPo 3S – w pełni naładowana bateria posiada napięcie 12.6V. W tym przypadku wydawać by się mogło, że kondensator 16V powinien wystarczyć. Jednak maksymalny pik szpilki, może wynieść nawet dwukrotność napięcia źródła zasilania, czyli tutaj nawet do 25V. I taki właśnie kondensator powinien być wystarczający dla zasilania modelu z baterii LiPo 3S.

Dla w pełni naładowanej baterii 4s, czyli napięcia 16.8V – odpowiednio wystarczającym kondensatorem powinien być kondensator o maksymalnym napięciu 35V.

Komplet kondensatorów o różnych pojemnościach kupimy np. w sklepie Banggood tutaj, bądź tutaj.

Pojemność

A co z pojemnością? Tutaj dużo zależy od wolnej przestrzeni wewnątrz naszego modelu, jego wymiarów i wagi. Do mikrusów przecież nie zmieści się puszka 2200uF na np. napięcie 35V, dodatkowo im większa pojemność, tym kondensator będzie nie tylko większy, ale i cięższy. Zatem wg moich obserwacji i doświadczeń – minimalna pojemność kondensatora filtrującego powinna wynosić 220uF (mikrofaradów) , chociaż znacznie lepsza byłaby 330uF, czy nawet 470uF. W skrajnych przypadkach konieczne może okazać się użycie pojemności nawet 1000, czy 2200uF, by skutecznie zniwelować wszelkie tętnienia w zasilaniu.

Rezystancja szeregowa kondensatorów

Bardzo ważna jest także zastępcza rezystancja szeregowa, jaką posiada dany kondensator. Zwykłe kondensatory elektrolityczne, które dostaniemy od ręki w sklepie elektronicznym mogą charakteryzować się długim czasem ładowania, a więc i wyłapywania tętnień z obwodu zasilającego (działają w niższych częstotliwościach). Dlatego, jeżeli mamy możliwość – wybierzmy kondensator mający dodatkowo oznaczenie LOW ESR.

Kondensator LOW ESR 25V
Przykładowy kondensator elektrolityczny o parametrach: 25V 1000uF LOW ESR

Idealny kondensator elektrolityczny nie posiada żadnej rezystancji, a jedynie pojemność. W rzeczywistości materiał, z którego powstał kondensator, posiada skończony opór. Kondensatory LOW ESR mają niski opór i nie wprowadzają do układu zbędnej, dodatkowej rezystancji. Kondensatory LOW ESR najczęściej mają także mniejsze wymiary niż zwykłe ich zwykłe odpowiedniki tej samej pojemności i na to samo napięcie, reagują także bardzo szybko na zmiany napięcia w obwodzie zasilania.

Kondensatory LOW ESR zakupimy w Banggood m.in.tutaj, bądź tutaj.

Polaryzacja

Podczas montażu kondensatora elektrolitycznego naszego kontrolera lotu, ESC, czy płyty dystrybucji prądu musimy zwrócić szczególną uwagę na jego polaryzację. Biegun ujemny kondensatorów elektrolitycznych oznaczony jest pionowym paskiem (najczęściej białym) z boku obudowy – tuż przy jednej z nóżek:

Kondensator LOW ESR 25V

Dodatkowo, jeżeli montujemy nowy kondensator – ten powinien mieć jedną zdecydowanie dłuższą nóżkę – biegun dodatni.
Prawidłowo zamontowany kondensator elektrolityczny (w celu powiększenia pojemności obwodu zasilania) powinien mieć podłączony (wlutowany) biegun dodatni do plusa zasilania, ujemny do masy.

Montaż kondensatorów

Kondensatory filtrujące zasilanie powinniśmy umieścić (wlutować) tuż u źródła generującego zakłócenia w torze zasilania. Zatem najkorzystniej byłoby wyposażyć w kondensator każdy regulator ESC w naszym modelu.
Jednak – z obawy o możliwe uszkodzenie kondensatora obracającym się śmigłem – najczęściej kondensator lutuje się do pól lutowniczych kontrolera lotu, bądź ESC 4in1 odpowiedzialnych za doprowadzenie zasilania z baterii:

Filtracja zasilania FPV kondensatory w PDB
PDB Matek v3.1 z kompletem dodatkowych kondensatorów elektrolitycznych

Zielone na dole – LOW ESR, czarny z prawej – zwykły elektrolityczny
Kondensator filtracja kontroler lotu FC
Kondensator elektrolityczny wlutowany bezpośrednio do gniazda zasilającego kontrolera lotu.

Czasami generatorami tętnień zasilania są same przetwornice STEP-DOWN na np. 5V (jak w przypadku wyżej opisanej PDB). Tutaj pomocne może okazać się przylutowanie kondensatora bezpośrednio do wyprowadzeń zasilania przetwornicy:

PDB 5V Kondensator LOW ESR
Przygotowany kondensator do zmniejszenia tętnień napięcia wychodzącego z przetwornicy 5V PDB Matek v3.1
Kondensator LOW ESR przylutowany do wyprowadzeń zasilania 5V z przetwornicy STEP DOWN PDB Matek v3.1

Od niedawna panuje trend montażu kondensatorów tuż we wtyczce zasilającej XT60:

Powyższą gotową wtyczkę XT60 możemy kupić tutaj.

Takie zastosowanie także polepszy nam filtrację zasilania, ale nie będzie aż tak skuteczne, jak montaż kondensatora bezpośrednio do pól FC, czy ESC odpowiedzialnych za zasilanie.

Gdy sam kondensator nie wystarczy…

W niektórych przypadkach montaż kondensatorów w obwodzie zasilającym może nie przynieść znacznej poprawy w jakości obrazu FPV.
Czasami będzie to skutkiem dobrania zbyt niskiej pojemności kondensatora, wtedy powinniśmy spróbować z większą pojemnością.

Kondensatory filtracja FPV dron
Model 250 z kilkoma dolutowanymi kondensatorami elektrolitycznymi do PDB Matek v3.1


Jednak użycie kondensatorów o pojemności powyżej 1000uF mija się raczej z celem. W tym przypadku możemy jeszcze użyć filtr LC, przez który dopływałoby odfiltrowane napięcie do kamery FPV i nadajnika VTX.

Filtr LC

Filtr LC składa się z cewki oraz kondensatora. Na cewce indukuje się (odkłada) napięcie wejściowe, by to kolejno trafiło do kondensatora. Im większa pojemność indukcyjna cewki (wyrażona w Henrach), tym (zazwyczaj) większa liczba zwojów nawiniętych wokół rdzenia ferrytowego. Zadaniem cewki jest podawanie do kondensatora napięcia, nawet po jego chwilowym odcięciu u wejścia cewki. Jest to możliwe dzięki spirali zwojów, gdzie chwilowo odkłada się napięcie. Oczywiście proces ten trwa bardzo krótko… Jednak na tyle wystarczająco, by zniwelować większość tętnień w zasilaniu, z którymi nie radził sobie sam kondensator.
Poniżej zamieszczam zdjęcia zakupionego przeze mnie filtra LC:

Filtr LC – widok z góry
-||- od spodu
LC filter in drone FPV
Filtr LC podłączony do linii 12V, a do niego podłączony nadajnik VTX…
filtr LC waga
Waga filtra LC


Przykładowe, gotowe filtry LC znajdziemy między innymi w sklepie Banggood:

Niektórzy modelarze robią takie filtry własnoręcznie, lecz są one zdecydowanie cięższe i większe.

Gdy nadal obraz nie jest idealny…

Czasami zastosowanie kondensatorów i filtrów LC w naszym modelu może nie przynieść znacznej poprawy. Przyczyną mogą być zatem:

  • niewystarczające ekranowanie układów w nadajniku wideo;
  • kable zasilające nadajnik wideo/ kamerę FPV i sygnałowe są za blisko kabli ESC, czy też kabli zasilania bateryjnego;
  • uszkodzony kabel sygnałowy VTX, bądź kamery PFV;
  • uszkodzony nadajnik VTX;
  • zwarcie masy z karbonem ramy;
  • itp.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *