Alles, was Sie längst über die Avionik Ihres Flugmodells wissen sollten

$$U = R \cdot I$$

Abb. 1: Ohmsches Gesetz.

Wie schon im letzten Artikel benötigen wir auch diesmal das Digitale Multimeter (DMM). Wie wir in der Ausgabe 1/09 gezeigt haben, sind die meisten DMM alleine aber leider nicht geeignet, um Ströme > 10 A zu messen. Um die weitaus grösseren Ströme im Antrieb zu messen, benötigen wir also noch eine Erweiterung: den Shunt.

Shunt ist die Bezeichnung für einen präzisen niederohmigen Widerstand (oft im m $\Omega$ -Be-

reich). Dieser ermöglicht uns, problemlos Ströme bis 100 A oder mehr zu messen. Dies immer in Verbindung mit einem einfachen DMM. Das Grundprinzip, welches beim Arbeiten mit einem Shunt zum Bestimmen des Stroms verwendet wird, ist das ohmsche Gesetz (Abbildung 1). Dieses beschreibt den Zusammenhang von Strom, Spannung und Widerstand. Wird das ohmsche Gesetz wie in Abbildung 2 ersichtlich etwas anders notiert, erhalten wir einen Ausdruck direkt für den Strom I. Konkret bedeutet dies, dass durch Messen der Spannung U an einem

$$I = \frac{U}{R}$$

Abb. 2: Ohmsches Gesetz, umgestellt nach dem Strom I.

bekannten Widerstand R der unbekannte Strom I durch diesen berechnet werden kann. Mit anderen Worten: Lassen wir den Strom des Antriebssystems durch unseren Shunt fliessen und messen dabei mit dem DMM die Spannung am

Tips und Tricks:
Den Shunt nie aufrollen oder sonstwie zusammen kraulen. Der Shunt muss immer als gerader Leiter ausgeführt sein.
Längen grösser 10cm vermeiden. Wird der berechnete Draht zu lang, wählen Sie einen geringeren Querschnitt oder verkleinern Sie den gewünschten Widerstandswert.
Bei Verlustleistungen grösser 3W ist Vorsicht geboten. Der Shunt wird sich rasch erwärmen.

Ihr Shunt:

Abb. 3: Unser Shunt-Rechner. Rasch und einfach werden die notwendigen Parameter für den Eigenbau eines Shunts berechnet.

Shunt, so können wir im Anschluss sagen, wie viel Strom nun durch diesen Shunt geflossen ist. Voilà, und schon kennen wir den Strom in unserem Antriebssystem.

Natürlich können Sie sich diesen selber basteln. Wir bauen diesen mit Installationsdraht selber auf. Unter www.blog.innoflyer.ch können Sie einen «Shunt-Rechner» downloaden, welcher Ihnen hilft, ohne grosse Kenntnisse einen Shunt nach Ihrem Geschmack zu berechnen (Abbildung 3). Wir ver-

wenden Kupfer-Installationsdraht mit einem Querschnitt von 1,5 mm². Solcher Draht ist in jedem Baumarkt zu bekommen. Unser Shunt soll am Ende einen Widerstand von 1 m $\Omega$ haben. Dieser Widerstand ist von der Leiterlänge und vom verwendeten Querschnitt des Leiters abhängig. Mit unserem Shunt-Rechner haben wir eine Länge von 8,4 cm berechnet. Schneiden Sie den Installationsdraht auf diese Länge zu und rüsten Sie ihn, wie in Abbildung 4 ersichtlich, mit Ihrem Steckersystem (welches am Akku und Regler verwendet wird) und der Spannungsmessleitung (wir haben ein Ladekabel verwendet) aus. Nun sind wir bereit für eine Strommessung. Für diejenigen, welche mit dem Lötkolben nicht ganz so flink sind, stellt unser Innoflyer-Strommessadapter A1-PWR60 eine kostengünstige Variante zum Eigenbau dar.

Abbildung 5 zeigt einen typischen Messaufbau mit dem selbst gebauten Shunt. Der Shunt wird einfach in Reihe zwischen Akku und Regler geschaltet (damit der Strom des Antriebssystems durch diesen

fliessen muss). Danach wird mit dem DMM im 200-mV-DC-Messbereich während des Betriebs die Spannung am Shunt gemessen. Dabei entspricht der am DMM angezeigte Spannungsmesswert in mV direkt den eigentlichen Strom in A (gilt nur, wenn 1-m $\Omega$ -Shunt und DMM im mV-Messbereich). Unser selbst gebauter Shunt hat bei seiner Einfachheit auch seine Grenzen. So ist sein Widerstandswert sehr temperaturabhängig. Erhöht sich seine Temperatur um 50°C, so ändert sich der Widerstand um knapp 20%. Die Strommessung ist entsprechend um diesen Prozentsatz falsch. Deshalb: Immer nur kurz messen, damit sich der Shunt nicht viel über Raumtemperatur erwärmt. Unser Innoflyer-Strommessadapter A1-PWR60 kennt diese Probleme nicht. Er ist über einen weiten Temperaturbereich hochgenau. Als Alternative zum Shunt wird im Fachhandel auch das Zangenampermeter angeboten. Dieses ist aber um Faktoren teurer als die hier aufgezeigte Lösung und bringt keine genaueren Messresultate.

Die eben besprochene und praktizierte Art der Strommes-

sung ist nur dann korrekt und entsprechend aussagekräftig, wenn es sich um Gleichströme handelt. Bei unseren modernen geschalteten Motorenreglern trifft dies aber nur in einem Betriebspunkt zu: bei Volllast. Hier ist der Regler fast zu 100% durchgesteuert, und der Strom, der von der Batterie in den Regler fliesst, nahezu ein Gleichstrom. Die mit dem Shunt (oder auch Zangenamperemeter) erzielten Resultate sind entsprechend exakt und aussagekräftig. Befinden wir uns aber im Teillastbereich, gilt dies nicht mehr. Die genaue Stromform ist dabei abhängig vom verwendeten Motor (Induktivität) sowie vom Regler selber (Taktfrequenz, Eingangskapazitäten, Schaltmuster). Je stärker der zu messende Strom nun von einem Gleichstrom abweicht, desto grösser wird der Messfehler bei Anwendung der oben besprochenen Messmethode. Dabei handelt es sich nicht nur um ein paar Prozent. Es muss mit Fehlern von bis zu 100% gerechnet werden. Zusätzlich ist es noch so, dass wir immer zu wenig Strom messen werden, d.h., wenn der Strom in der Realität 30 A beträgt, messen wir bei einem Messfehler von 100% nur 15 A! Solch ein Resultat ist nutzlos. Um dies zu vermeiden, müssen wir im Teillastbereich, wie schon im letz-

ten Workshop, eine Messung des Effektivwertes (RMS, Root Mean Square) durchführen. Mehr Informationen zum Effektivwert und dessen Definition finden Sie in unserem Blog unter www.blog.innoflyer.ch. Mit den folgenden Vorkehrungen messen wir auch im Teillastbereich (natürlich auch bei Volllast) immer richtig.

Besorgen Sie sich ein DMM mit der Bereichswahl Spannung RMS, oft auch etwas irreführend mit TrueRMS bezeichnet. Die Anforderungen an diese Effektivwertmessfunktion sind recht hoch, sodass es schon ein sehr gutes und damit auch recht teures Profimessgerät sein muss. Bei einem allfälligen Kauf müssen Sie in der Spezifikation des Gerätes folgende Angaben finden (sonst Hände weg): Frequenzbereich von DC bis 250 kHz und Crestfaktor von 4 oder mehr. Diese Anforderungen gelten übrigens auch für ein Zangenamperemeter, welches zum Messen von Strömen im Teillastbereich eingesetzt werden soll. Ausgestattet mit solch einem guten Gerät können Sie dann sorglos mit der eingangs beschriebenen Shunt-Messmethode Ströme von Teil- bis Volllast messen. Eine durchaus kostengünstige Variante besteht mit unserem Innoflyer-

Strommessadapter A1-PWR2RMS. Dies ist ein Shunt, welcher – mit entsprechender Zusatzelektronik ausgerüstet – in der Lage ist, mit einem billigen DMM genaue Effektivwertmessungen durchzuführen. Abbildung 6 zeigt den Messaufbau mit diesem Messadapter und einem einfachen DMM im Teillastbereich. Zum direkten Vergleich ist zusätzlich ein baugleiches DMM mit unserem selbst gebauten Shunt in den Stromkreis geschleift. Die beiden Resultate weisen eine bemerkenswert grosse Differenz auf! Also, unterscheiden Sie in der Zukunft, ob Sie bei Voll- oder Teillast messen und wählen Sie entsprechend die richtige Messvariante.

Sie sind nun mit diesen Basics in der Lage, eine Strommessung einfach, schnell und vor allem aussagekräftig durchzuführen. Dies ermöglicht Ihnen interessante Experimente z.B. bei der Anpassung des Propellers. Tauschen Sie die gewonnenen Erkenntnisse mit Ihren Kollegen aus und optimieren Sie so Ihre Modelle immer weiter.

Sämtliches Material, um diesen Workshop zu Hause in der Werkstatt nachzuvollziehen, gibt es im gut sortierten Modellbaugeschäft oder unter www.innoflyer.ch.