ESC, BEC, và UBEC ?

ESC (Electronic Speed Controller) Điều tốc Như đã giới thiệu ESC là một thiết bị dùng điều khiển công suất của động cơ điện.
Nếu các bạn đã học qua về điện thì chắc đều nghĩ rằng để làm giảm công suất của động cơ thì ta giảm điện áp cung cấp (bớt số Pin ra) hay mắc nối tiếp vào motor một cái điện trở là được. Nhưng cách này hiệu quả mang lại không cao. Chẵng khi đang chạy mạnh thế, muốn nó yếu lại phải dùng tay cắm Pin mới cho nó à? Vậy thì còn gì là RC nữa nhỉ? Còn cách thức dùng điên trở thì công suất thất thoát đi dưới dạng nhiệt là rất lớn. Trong khi đó thì cục Pin của chúng ta lại có hạn về dung lượng.
Để làm được điều này chúng ta dùng một kỹ thuật có tên là PWM chứ không phải thay đổi điện trở hay gì gì khác. Bất kỳ ESC brushed hay ESC brushless đều dùng kỹ thuật này để thay đổi công suất.

Thế PWM là gì? Đó là viết tắt của Pluse Width Modulation tạm dịch hết nghĩa là Kỹ thuật điều khiển bằng độ rộng xung! Là một kỹ thuật hay dùng để thay đổi công suất của một thiết bị dùng điện với hiệu suất rất cao.

Chúng ta hãy thử hình dung như thế này: Một bóng đèn dây tóc với công suất 10W được cấp điện bằng một nguồn Pin 10V. Trong trường hợp này nguồn Pin cung cấp công suất 10W và bóng đèn phát ra công suất 10W. Không có sự mất mát nào trên mạch. Nếu chúng ta muốn giảm độ sáng bằng cách giảm công suất bóng đèn thì chúng ta phải đặt một điện trở nối tiếp với bóng đèn.

Khi đó ta lập được đồ thị như sau:

Điều đó chứng minh rằng một phần công suất đã bị thất thoát dưới dạng nhiệt nơi điện trở.
Chúng ta có một phương pháp là thay vì dùng điện trở để làm giảm công suất phát ra thì ta vẫn cấp cho bóng đèn công suất cực đại (10W) nhưng liên tục đóng ngắt.
VD: Muốn bóng đèn phát với công suất 5W thì ta cấp điện cho bóng đèn trong 50% thời gian và ngắt trong 50% còn lại. Khi dó công suất trung bình cung cấp bỡi nguồn Pin vẫn chỉ là 5W và không có sự thất thoát nào trong mạch. Nếu muốn đèn phát ra 6W thì tương ứng ta cấp điện 60% và ngắt 40% thời gian.
Việc liên tục đóng ngắt trong điều khiển như thế được gọi là điều khiển dựa trên độ rộng xung (PWM).
Đối với các ESC brushless thì cơ chế phức tạp hơn nhiều, nhưng về cách thức thì cũng tương tự như vậy.
BEC, UBEC
Trong ESC còn có một số khái niệm mà các a/e nào mới chơi cũng cần phải biết là
BEC (Battery Eliminator Circuit)
là một mạch dùng cấp nguồn cho Rx và các servo
LVC (low voltage cutoff)
là một mạch bảo vệ pin trong ESC
Vài loại điều tốc thông dụng

Thông thường mạch thu (receiver) và các servo dùng nguồn 4,8V hoặc 6V. Khi ta dùng để điều khiển motor thì trên lý thuyết ta phải dùng một nguồn pin riêng đề nuôi mạch thu. Lý do là vì điện thế tại bộ pin nuôi motor không ổn định do ảnh hưởng bỡi công suất motor. Để có thể dùng chung một bộ pin ta phải có một mạch ổn định điện áp với mức áp phù hợp cho mạch thu và các servo.
Có 2 loại BEC là linear BEC và witching BEC có thể tích hợp chung với ESC hoặc có thể tách rời.

Một số loại BEC rời như:

Bec, u-bec ??? Chắc hẵn đã nhiều lần các bạn đã được nhắc đến BEC hay UBEC, nhưng chúng là gì, và tại sao phải dùng chúng…
Do thông thường, BEC được tích hợp luôn trong ESC nên đôi khi, mình sử dụng BEC nhưng lại không nghĩ là mình đang sử dụng vì chỉ cần cắm ESC vào Rx là mặc nhiên có điện cung cấp cho các thiết bị khác. Ngoài ra không quan tâm nhiều đến điện áp, dòng điện v.v…
Đã có nhiều bài viết nhắc đến và có mô tả sơ qua BEC hay U-BEC… nhưng mình vẫn muốn nhắc lại vấn đề này, sao cho cụ thể và rỏ ràng để các bạn mới bước vào thế giới RC một cách dễ dàng hơn.
Vậy thực hư..

BEC hay U-BEC là gì?

– BEC: Battery Eliminator Circuit
– U-BEC: Ultimate BEC thực chất là một BEC rời, gắn thêm bên ngoài.
Cả BEC lẫn U-BEC đều làm chung một chức năng nhiệm vụ là cung cấp nguồn có điện áp ổn định 4.8V, 5V hoặc 6V cho Rx, servo, gyro v.v… hoạt động từ nguồn Pin (7.2, 11.1 hoặc hơn) chung
Các thông số cần quan tâm khi sử dụng BEC hay U-BEC
– Imax: là giá trị dòng điện cao nhất mà BEC có thể chịu được.
– Uout: là điện áp mà BEC cung cấp.. thường là 4.8V, 5V, 6V v.v…
– Uin: là khoảng điện áp mà BEC có khã năng làm việc. Thường khoảng điện áp này lớn hơn Uout.
– Loại BEC: linear (BEC thường), Switch (U-Bec hay Super Bec).

BEC, U-BEC thường gặp ở đâu?
– BEC hay linear BEC thường được tích hợp trong ESC công suất bé, và thường dùng các loại linh kiện như 7805, 1117-05 hay một số loại khác tương đương. Công suất thông thường từ 1A-3A, cũng có thể có công suất lớn hơn nhưng mạch sẽ phức tạp hơn nhiều. Khi hoạt động tỏa nhiều nhiệt.

Một số mạch BEC minh họa, mạch này cho điện áp ra là 6V, 1A-2A

U-BEC có thể là loại linear BEC hay switching BEC. Nhưng do linear BEC có một số hạn chế nên U-BEC thường là switching BEC (là một loại Switching DC-DC converter), thường được làm thành một module riêng hay được tích hợp trong một số ESC với công suất lớn (lúc này hay gọi là super BEC). Thông thường.. trên U-BEC có một cuộn dây be bé, hình vuông hoặc hình tròn. Hiệu suất làm việc khá cao, với công suất lớn thì có nhiều ưu điểm rỏ rệt so với linear BEC như kích thước nhỏ gọn, ít tỏa nhiệt.

Sơ đồ nối dây khi sử dụng U-BEC

Tại sao phải dùng U-BEC?
Kha kha, đây là một câu hỏi gây nhiều tranh cải, vì U-BEC giá không đắt nhưng cũng chẵng hề rẻ tí nào, thông thường 7$ – 50$ tùy theo loại và công suất.

Vấn đề đáng quan tâm khi sử dụng U-BEC là: công suất, độ ổn định, hiệu suất.
– Công suất thì U-BEC có thể lớn gấp nhiều lần BEC
– Độ ổn định thì cao hơn BEC là chắc rồi. Nhưng tuyệt nhiên không được cho em nó tắm nhé.. em nó mà tắm cái thì… tèo.
– Hiệu suất cao hơn nhiều lần so với BEC.

Ta sẽ đi sâu vào.. tìm hiểu tại sao hiệu suất của U-BEC lại cao hơn BEC.
Chúng ta thử làm một vài phép tính như thế này: Với 1 E heli như Trex450, có 4 servo + 1 gyro + 1 Rx là các thiết bị tiêu thụ điện từ BEC!
– 1 micro servo có dòng tiêu thụ trung bình 200mA
– 1 gyro có dòng tiêu thụ trung bình 20-50mA
– 1 Rx có dòng tiêu thụ trung bình 15-30mA
– 1 power batt 3 cells lipo U= 11.1V
– BEC out V= 5V
-> Mà heli khác cánh bằng ở chổ là gần như các servo liên tục hoạt động và chịu tải do đó bình quân tối thiểu BEC phải cung cấp một dòng điên Itb khoảng 1A!
-> Công suất sử dụng
‘ P0 = V*Itb = 5V*1A = 5W
-> Tổng công suất mà Pin phải cung cấp
‘ P = U*Itb ~ 11V*1A = 11W
-> Hiệu suất sử dụng là
‘ % = 100* P0/P = 5/11 = 46%
-> Công suất thất thoát dưới dạng nhiệt là
‘ Pttn = P-P0 = 11-5 = 6W
-> Một viên Pin như trên (450) thường là 11.1V – 2300mAh có công suất là:
‘ Ppin = U*Q = 11.1*2.3 = 25.53W
-> Vấn đề còn lại thất thoát nhiệt của ESC, trung bình các ESC 25-35A có nội trở khoảng 0.01-0.003 một số loại có nội trở còn nhỏ hơn! Vậy nên công suất thất thoát trên ESC là
‘ Pesc = Iesc*Resc ~ 0.35W

Đem so sánh 2 giá trị trên ta thấy Pttn>Pesc 17 lần (tức công suất tiêu tán nhiệt do BEC gây ra lớn hơn 17 lần :rolleyes: công suất tiêu tán nhiệt do ESC gây ra!

Còn công suất thất thoát nhiệt của BEC so với công suất mà Pin có thể cung cấp
% = 100* Pttn/Ppin = 6/25.53 ~ 23.5%

Một con số cũng đáng kể đó chứ? Nếu dùng BEC thì gần 1/4 dung lượng Pin là dùng để đốt nóng cái BEC, gần 1/5 dung lượng Pin là dùng để nuôi Rx, servo…, chỉ còn hơn 1/2 là dùng để bay thôi.

Đó là chưa nói tới việc.. nóng quá cũng dể die lắm lắm.

Để cải thiện vấn đề trên mình dùng UBEC đổi điện áp từ 11.1 xuống 5V hay 6V bằng cơ chế Switching DC-DC convertor nên hiệu suất cực kì cao! Trung bình UBEC đạt được hiệu suất sử dụng từ 90-95% hoặc hơn. Tức là lúc này công suất tiêu tán nhiệt do BEC sinh ra là 5V*1A*0.1=0.5W tức nhỏ hơn 12 lần so với BEC thường.

Đây là một số đặc tính của UBEC mà mình đã thử
– Input 5,5-23V (2-5s lipo)
– Outpu 5V/3A
– Nặng 6g
– Tần số 300KHz (switching frequency)
– Hiệu suất 90%

Lý do dùng UBEC là:
1. Hiệu suất sử dụng cao, tiết kiệm Pin
2. Công suất lớn
3. Từ 1 và 2 => UBEC làm việc ổn định và đảm bảo hơn linear BEC.