Modern dróntechnológiák
Az RTK GNSS navigációs rendszer szünetmentes táplálása
Az elektronikai iparban fejlesztőmérnökként eltöltött 25 év innovatív ipari és mezőgazdasági alkalmazások széles palettájának fejlesztése során számos tapasztalattal szolgált. A cikkben egy egyszerűbb drónos fejlesztési projekt műszaki megoldásai kerülnek bemutatásra.
Piaci igényekből piaci előnyök
Egy magyarországi speciális drónokat fejlesztő cég keresett meg azzal, hogy a főként mezőgazdaság számára készített drónjaikhoz fejlesszünk közösen saját elektronikai modulokat, a piacon kapható, túlnyomórészt kínai gyártású eszközök funkcionálisan fejlettebb alternatívájaként. Az első fejlesztési cél egy szünetmentes tápellátást biztosító tápegységmodul volt, amit a drónjaikban alkalmazott nagyon pontos helymeghatározást lehetővé tevő RTK GNSS navigációs rendszerükhöz akartak használni. Az igény abból a hatékonyságcsökkenésből fakadt, amit a nagy mezőgazdasági permetező drónok szenvednek el a földön töltött sok idő folytán, akkucsere és kezelőszer-újratöltés közben. A drónnal kijuttatott növényvédelmi szerek újratöltéséhez már rendelkezésre áll gyorstöltési technológia, aminek használatával a drónok hosszú földi tartózkodási idejében a fő szerepet az akkucserével újrainduló GNSS rendszer kapta. Ezen rendszer teljes felállásához 1-2 perc szükséges. Mivel a növényvédelmi repülés egy ciklusa általában 10-15 perc, a földön eltöltött minden perc jócskán csökkenti az óránként befutható hektárteljesítményt. Adta magát a következő elvárás tehát, hogy az akkucsere idejére a GNSS rendszer ne kapcsoljon ki, ezáltal a hektárteljesítmény, és a hatékonyság is jócskán növelhető. Az ilyen szünetmentes tápellátási megoldással ellátott drón ezzel egyértelmű piaci előnyhöz jut.
Speciális körülmények – speciális megoldások
A koncepció készítését több komplex specifikációs követelmény nehezítette, mivel ezek mindegyikének egyszerre kellett megfelelni. A legfőbb ilyen igények: legyen könnyű, kicsi, hőmérséklet-független tárolókapacitású – minél szélesebb tartományban –, és persze sokezer ciklust tudjon kiszolgálni a névlegesen 5 V-os, max. 1 A áramot igénylő GNSS tápkörében. Könnyen belátható, hogy akkumulátoros megoldás szóba sem jöhet ezen feltételek ismeretében, pedig milyen egyértelműen adná magát egy USB powerbank-jellegű eszköz erre a feladatra. Az igényekhez legközelebb álló könnyű és kicsi Li-Po-akkuk a valóságban max. 600-900 töltési ciklus után eléggé „elhervadnak”, és a hőmérsékletfüggésük is elég nagy. A kör itt be is zárult, mindössze egy optimális megoldás maradt: a szuperkondenzátor. Manapság ezekből elég stabil, és elég magas energiasűrűségű változatok érhetők el a piacon, méghozzá nem túl magas áron.
Az 1. és 2. ábra részletesen mutatja a fejlesztés során kiválasztott Kyocera SCC széria ide vonatkozó, igen vonzó jellemzőit.
1. ábra A kapacitás hőmérsékletfüggése
2. ábra A várható élettartam különböző feszültségeknél
A grafikonokból jól látszik, hogy a drón működési hőmérsékletének sávjában (-10…+60 °C, szélsőséges esetekben) a kapacitás változása elhanyagolható, míg az élettartam a 88%-os feszültségrátával 50 °C-os átlagos környezetben is legalább 6 év lenne. Átlagos használat során ennél a legrosszabb (worst case) esetnél biztosan több lesz a várható élettartam, méghozzá ciklusszámtól függetlenül (környezeti körülményektől függően 8-12 év). Ez a megoldás tehát tökéletesen lefedheti az igényeket.
Felhasználói igényeknek megfelelő méretezés
Koncepcionálisan a 2S SuperCap elrendezés került kiválasztásra, mivel ez a legalkalmasabb az adott specifikáció igényeinek biztosításához. A kapacitás méretezéséhez először egy megfelelően kis helyigényű, és hatékonyságban nagyon jó boost DC/DC konverter áramkört kellett keresni, ami képes 1 A-es áramot szolgáltatni 5 V kimeneti feszültségnél. Méghozzá minél alacsonyabb bemeneti feszültség esetén is, hogy a SuperCap cellákat minél szélesebb feszültségtartományban lehessen használni. A választás a Texas Instruments TLV61070A típusú termékére esett, amellyel akár 2,5 V bemeneti feszültséggel lehet 5 V, 1 A kimenetet biztosítani, elég jó hatásfok, azaz kis veszteség és kis hődisszipáció mellett. Mivel ez a konverter alacsonyabb feszültségről is működik, de ott már nem biztosítható a szükséges kimeneti áram, elkerülhetetlen volt egy korlátozást is beépíteni mellé, ami kis ráhagyással 2,6 V alatti SuperCap feszültség esetén letiltja a boost tápot. Erre szintén a Texas adott optimális megoldást egy supervisor áramkörrel (TPS3840). Miután az áramkör ezen része kialakult, egy szimuláció és külön számítások segítségével meghatározhatóvá vált a veszteséggel számolt szükséges SuperCap kapacitás is.
A blokkvázlat ezek alapján a 3. ábrán láthatóan alakult.
3. ábra A megoldás blokkvázlata
A felhasználói igény szerint ennek az eszköznek legalább fél percig kell tartania a GNSS rendszer tápellátását. Ehhez az elváráshoz ki kellett próbálni szimulációban 35-100 F kapacitású szuperkondenzátorral a veszteségekkel számított feszültség-idő függvény alakulását. Az eredmény szerint a 2S elrendezésben már 50 F kapacitású cellákkal is teljesíthető az igény. Ehhez a 2S elrendezéshez keresni kellett ezután egy kis helyigényű, hatékony, megfelelő töltőáramú, és cellakiegyenlítéssel rendelkező töltő céláramkört. A választás az Analog Devices (korábban Linear Technology) LTC3625 típusú termékére esett. Az integrált áramkör előnye többek között az is, hogy az esetleges későbbi nagyobb időtávú táptartási igényeket is ki lehet vele elégíteni, hiszen a 100 F cellákból képzett 2S kapacitást is képes kezelni. Nagy előnye ezenkívül, hogy a töltőáram beállítható limiterrel – amivel biztosítani lehet, hogy a bemeneten ne legyen túlzott áramfelvétel, a kimenetet a bypass áramkörön át teljesen beterhelő GNSS rendszer esetén sem. A limiter ennek megfelelően kicsivel 1 A alá lett beállítva (az 5,3 V-os bemeneten 2 A maximális áramfelvétel lehet). A kialakításban egy ideális diódával kialakított bypass áramkör kapott helyet, amely által normál akkumulátoros táplálási esetben a SuperCap terhelés nélkül töltődhet. Emellett a boost DC/DC áramkör vesztesége sem csökkenti a hatékonyságot, a kimenet a bypass áramkörön keresztül a bemenetre kapcsolódik.
Kész áramkör, prototípusmérések
A fenti méretezés alapján össze is állt az áramkör lényegi része, csak egy kis kiegészítés kellett hozzá: mivel a GNSS rendszer, valamint a drón itt használt tápkörén levő többi navigációs és pozicionáló eszköz érzékeny a zajokra, megfelelő be- és kimeneti tápszűréssel kellett ellátni. Mindkét oldalon két fokozatú szűrésre volt szükség, ami hatékonyan, nagymértékben csillapítja az alacsonyabb és a magasabb frekvenciákon jelentkező vezetett zajokat. Ugyanebből a meggondolásból a PCB elrendezés kialakításánál is szempont volt, hogy a teljes kapcsolóüzemben működő áramköri részek egy árnyékoló lemez alá kerüljenek. A be- és kimeneteket biztonsági szempontból áramvédelemmel is el kellett látni, mivel biztonságkritikus a bemenetre csatlakoztatott tápkör. A GNSS rendszer ugyanis leállhat a saját tápkörében jelentkező hiba esetén, de a drón repülésvezérlő rendszere nem.
4. ábra A kész megoldás
Az áramkör sematikus és layout tervezése után elkészült az első prototípus, amely 55 × 42 × 25 mm befoglaló méretű, és 40 gramm súlyú lett. A bemérés igazolta a tervezési és szimulációs paramétereket, minden az elgondolások és a specifikáció szerint működött. A kifejlesztett készülék azóta a gyakorlatban is bizonyított, a GNSS rendszer átlagos terhelése mellett akár 40-45 mp-ig is képes a GNSS rendszer életben tartására.
Szerző: Futó Gábor – villamosmérnök, mobil telekommunikációs, optikai távközlési, és űrtávközlési szakmérnök
Futó Gábor
FUTÓ Kft.
Tel.: 06 30 948 75 42
E-mail:
futogabor.futokft.hu
