Durch eine Anfrage meines Modellflugfreundes Werner H...., was ich von den neuen auf dem Markt erhältlichen Hochvoltservos halte. Er selbst hätte ein ungutes Gefühl sie einzusetzen. Diese  Anfrage inspirierte mich eine kurze Berechnung zu machen, um sie ihm mitzuteilen. Da er wie viele andere Modellflieger nicht allzuviel Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektrotechnik hat, habe ich  mit meinen wenigen Kenntnissen versucht, diese Erklärung  auf meiner HP zu veröffentlichen.

Es werden in unseren  Modellen immer mehr die Spannungsversorgungen  mit LIPO-, LiIo-, LiFe- Zellen verwendet. Einige der Vorteile wie geringer Ri bei geringen Gewicht und Abmessungen ist allgemein bekannt.   

Das veranlasste auch die Hersteller und Vertreiber von Servos, diese auch für höhere Spannungsbereiche  anzubieten. Zum Beispiel von 4,8 bis 8,4 wobei bei diesem Spannungsbereich meiner Meinung nach diese entweder Unter- oder Überdimensioniert betrieben werden, da mit der Spannung auch der Strom steigt, die Leistung sich aber aus dem Produkt von Strom und Spannung ergibt.
So werden wohl die Ausnahmen etwas weniger von zu großen Erwärmungen durch die am Servo anfallenden Verlustleistung betroffen sein. Da bei den kleinen  Modellen, wo die Verwendung von Servos, die von 4,8 bis 6 V betrieben werden sollen/dürfen, sich eine durch zu große Erwärmung zerstört weden.

Es sollte aber auch hier beachtet werden, dass bei einem variablen Spannungsbereich, der Betrieb der maximalen Spannung oder gar darüber, eine weitaus höhere Erwärmung bis zum Ausfall eines Servos führen kann.
Dieses kann zu Problemem führen, wenn einiges nicht bedacht wird!

Bedingt durch den Ri eines Servos, der sich aus dem Motor und der Elektronik ergibt,
kann die wärmebringende Verlustleistung berechnet werden
(hierbei, vor allem der Endtransistoren oder Feldeffekttransistoren, die in einer Brückenschaltung den Motor ansteuern)

Die in eine mechanische gewandelte Leistung, welche  z. B. die Ruderbewegung erbringt, ist die uns wichtige Wirkleistung = Nutzleistung.

Da in einem elektrischen Stromkreis der Strom überall gleich groß ist,
ergibt sich die Wärme bringende Verlustleistung aus :  PV Servo = UV Servo * I          ERGO:   PV Servo = UV² Servo /  Ri Servo  
 
P geamt   = Gesamtleistung
PV Servo   = Servoverlustleistung
UServo       = Spannung am Servo
Ri Servo     = Servoinnenwiderstand
Ibl                = Blockierstrom
Imittel         = Strommittelwert

Der innere Widerstand eines Servos Ri Servo wird am einfachsten aus dem Blockierstrom Ibl und mit der am Servo gemessenen Spannung UServo berechnet.
Ri Servo = Ibl * UServo
.
Um eine Schädigung zu vermeiden, sollte eine kurzzeitigen Blockierung bei der Messung stattfinden.
Eine Verfälschung des Ergebnisses wird vermieden, indem am Servo die Spannung gemessen wird, da sonst der Widerstand der Spanrnungquelle, sowie der Leitungen mit eingehen.
 
Für weniger Vorbelastete habe ich dieses etwas ausfühlicher beschrieben, um es besser Nachvollziehbar zu machen
------Dieses vorab-----


Die Beispielsrechnung habe ich an den allgemein bekannten Servo von FUTABA 3150 gemacht.

Es ergab sich bei meiner Messung an einer Servospannung UServo = 4,8 V ein Blockierstrom von Ibl ~ 0,7 A 
daraus resultiert der Widerstand des Servo: Ri Servo = 4,8/0,7 = 6,857 Ω

 Jetzt kann die Servoverlustleistung im Extremfall berechnet werden  :   PV Servo = UV² Servo / Ri Servo
      
                                                                                            bei  z. B.  5 V  :                      =  25  /  6,875  =  3,636  Watt
                                                                        
                                                       bei  z. B.  6 V :              =  36 /  6,875  = 5,236 Watt
        
                                                       bei  z. B.  7 V :              =  49 /   6,875  =  7,127 Watt

Im Normal Betrieb des Servos liegt der Strom abhängig von der durchschnittlichen Belastung des Servos allerdings bei  0,3 ... 0,65 A.
Das wäre im Mittel  0,45A und die

             bei  z. B.   5 V :              =  5 * 0.3  =  1,5  Watt                 5 * 0,45  =  2,25  Watt           5  *  0,65  =   3,65  Watt

             bei  z. B.   6 V :              =  6 * 0,3  =  1,8  Watt                 6 * 0,45  =  2,7   Watt            6  *  0,65  =   3,9   Watt

             bei  z. B.   7 V :              =  7 * 0,3  =  2,1  Watt                 7 * 0.45  =  3,15  Watt           7  *  0,65  =   4,55  Watt

Wie bereits oben erwähnt, besteht die anfallende Gesamtleistung aus der am Abtrieb des Servos bestehenden wirksamen Leistung plus der am Servo abfallenden Verlustleistung, sodass man  in der Regel annehmen kann, dass die Servoverlustleistung aus 1/3 bis 2/3  der Gesamtleistung besteht
Eine gute Orientierung und Hilfe zur Auswahl von Servos und deren zu erwartenden Belastungen
ist das Programm von Dietrich Meissner.
Es ist von seiner HP wie auch Schwerpunktberechnungen downloadbar.
Auf die HP kommst Du, indem auf die Grafik geklickt wird.



Beispiele zur Anwendung dieses Programms hier!
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Fazit:
Auch wenn die Servos nicht bis zum Blockieren betrieben werden und die 3150er Servos wie hier im Beispiel nur bis max 6 V betrieben werden sollten, ergibt sich erkennbar ein enormer Verlustleistungszuwachs, je höher die Spannungsversorgung besteht. Dieser kann  ein Flugmodell bei stark belasteten oder überlasteten  Servos zu einen Absturz bringen. Besonders, wenn sie mit einer  Überspannungen als den vom Hersteller angegebenen Spannungsbereich betrieben werden und wenn möglich, besser nicht im Grenzbereich, was meine Devise ist.
Bei einem Servo mit einem Einsatzbereich von 4,8 bis 8,4 Volt steigt die Verlustleistungen am Servo ohne einer internen Regulierung nach den Berechnungen bis über das dreifache im betriebenen Spannungsendbereich an. Selbstverständlich immer von der Belastung abhängig.
Außer dem entstehen bei den erhöhten Strömen an zu geringen Leitungsquerschnitten und längeren Leitungen Spannungseinbrüche, die ebenfalls zu Störungen wie Zappeln der Servos u. s. w. führen können.
Doch das ist ein weiteres aber anderes Thema.

Im Dezember 2011  Hg
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