Wie sich Drohnen kompakt und effizient kühlen lassen

| Autor / Redakteur: Dirk Leman / Benjamin Kirchbeck

Angesichts des geringen Platzangebots, des geforderten niedrigen Stromverbrauchs und Gewichts müssen kleine, leichte und dennoch leistungsstarke Kühlventilatoren zum Einsatz kommen.
Angesichts des geringen Platzangebots, des geforderten niedrigen Stromverbrauchs und Gewichts müssen kleine, leichte und dennoch leistungsstarke Kühlventilatoren zum Einsatz kommen. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Die steigende Datenverarbeitungsleistung von Drohnen erzeugt unvermeidlich mehr Wärme – sowohl in der Drohne selbst als auch in der Fernsteuerung. Um die Kühlung sicherzustellen, sind äußerst kleine Lüfter sowie kompakte und effiziente Lüftertreiber notwendig.

Zu Beginn für das Militär konzipiert, sind Drohnen mittlerweile neben dem Consumer-Bereich auch eine feste Größe bei kommerziellen Anwendungen. Die Analysten von Goldman Sachs schätzen, dass das Marktvolumen für Drohnen zwischen 2016 und 2020 bei rund 100 Mrd. US-$ liegen wird. Während der Militärsektor noch immer den größten Teil davon (ca. 70%) ausmacht, wachsen der Consumer- und der kommerzielle Sektor deutlich schneller.

Obwohl die Vorschriften strenger werden, nahm die Consumer- oder Freizeit-Nutzung in den letzten zwei Jahren immer mehr zu, was zu einem Marktanteil von rund 17% geführt hat. Der kommerzielle bzw. zivile Sektor macht 13% des Gesamtvolumens aus, wächst aber durch neue Anwendungen ebenfalls. Dahinter stehen zwei Gründe: Erstens ersetzen Drohnen teurere Optionen wie Helikopter und zweitens entstehen neue Nutzungsmöglichkeiten.

Der Single-Chip US168ELD von Melexis stellt für die Ansteuerung bürstenloser Gleichstromlüfter und -motoren mit einer Spule die geeignete Lösung dar.
Der Single-Chip US168ELD von Melexis stellt für die Ansteuerung bürstenloser Gleichstromlüfter und -motoren mit einer Spule die geeignete Lösung dar. (Bild: Melexis)

Da Drohnen hauptsächlich im professionellen Bereich eingesetzt werden, werden sie immer komplexer, bieten aber auch mehr Funktionen. Dabei wird gewährleistet, dass der Flug sicher durchgeführt wird und innerhalb der gesetzlichen Grenzen bleibt. Außerdem nimmt die Kamera-Auflösung weiter zu, womit sich das Gewicht erhöht. Alle diese erweiterten Funktionen erfordern eine höhere Rechenleistung, sowohl in der Drohne selbst als auch in der Fernsteuerung.

Leistungsstarke Kühlventilatoren als Wettbewerbsvorteil

Eine höhere Datenverarbeitungsleistung erzeugt unvermeidlich mehr Wärme – auch hier in der Drohne selbst als auch in der Fernsteuerung. Angesichts des geringen Platzangebots, des geforderten niedrigen Stromverbrauchs und Gewichts – vor allem in der Drohne, deren Batterie die einzige Energiequelle für den Flug ist – müssen kleine, leichte und dennoch leistungsstarke Kühlventilatoren zum Einsatz kommen. Dies kann den Drohnenherstellern einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil verschaffen.

In der Fernsteuerung findet sich meist eine 5VDC-Schiene, so dass der Single-Chip US168ELD von Melexis für die Ansteuerung bürstenloser Gleichstromlüfter und -motoren mit einer Spule eine geeignete Lösung darstellt. Der IC enthält einen Hall-Effekt-Sensor mit einem Chopper-Verstärker zur Offset-Unterdrückung, digitale Steuerschaltkreise, einen Vollbrücken-Ausgangstreiber und ein FG-Tachometer-Ausgangssignal.

Als Ergebnis linear gesteuerter Soft-Schaltfunktionen sorgt der US168 für geringe elektrische Störungen und eine geringe Geräuschentwicklung, was einen reibungsloseren Betrieb garantiert und minimale Interferenzen bei der Funkkommunikation zwischen Controller und Drohne gewährleistet. Darüber hinaus scheint die lineare Soft-Schaltfunktion besonders effizient und geräuscharm zu sein, da die Lüfterspulen in die Leiterplatte integriert sind.

Die vollständig integrierte Baugruppe ist so konzipiert, dass keine externen Komponenten erforderlich sind – mit Ausnahme eines 100nF-Entkopplungskondensators. Integrierter Verpolungsschutz, Schutz vor dem Blockieren des Rotors und vor Überhitzung stellen sicher, dass die Treiber auch für anspruchsvolle Anwendungen robust genug sind. Der US168 wird im kleinen UTDFN6-Gehäuse ausgeliefert, das nur 0,4 mm hoch ist und sich für Lüfter mit einer Bauhöhe von weniger als 10 mm eignet.

Die kleine Stellfläche von 3 mm2, der integrierte Verpolungsschutz und die lineare Soft-Schaltung machen den Baustein ideal für kleine, leise und flache Lüfter mit in der Leiterplatte integrierten Spulen. Diese Art von Lüfter bietet das beste Größen-Leistungsverhältnis für Fernsteuerungen, da die erforderliche Kühlleistung begrenzt ist und die Effizienz weniger kritisch ist.

Die Effizienz des Lüftertreibers als entscheidendes Kriterium

Innerhalb der Drohne selbst wird jedoch mehr Kühlleistung benötigt. Die Effizienz des Lüftertreibers ist hier also noch wichtiger. Entscheidend dabei ist, dass der Lüftertreiber direkt an der innerhalb der Drohne verfügbaren Batteriespannung betrieben wird (meist 16,8 V). Damit wird vermieden, dass die Leistungspegel innerhalb des DC/DC-Wandlers erhöht werden müssen, was zu höheren Kosten, mehr Platzbedarf und einer Wärmeableitung führt. Zusätzlich ermöglichen höhere Betriebsspannungen niedrigere Betriebsströme, um die gleiche Ausgangsleistung zu erzielen. Geringere Ströme reduzieren die Verlustleistung in der Lüfterspule und im Lüftertreiber. Die geringere Verlustleistung innerhalb des Lüfters ermöglicht kostengünstigere Leiterplatten und führt somit zu geringeren Gesamtkosten für den Lüfter.

Der MLX90297-A wird im DFN10-3x3-Gehäuse ausgeliefert und kann Versorgungsspannungen zwischen 3 und 18 V sowie Versorgungsströme bis zu 700 mA aufnehmen. Er bietet eine Strombegrenzung, um bei Anwendungen mit hohem Strom einen Betrieb mit geringem Spulenwiderstand zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Betriebsströme kommt eine effizientere PWM-gesteuerte Ausgangsstufe zum Einsatz, um Softstart, Soft-Schalten und eine Drehzahlregelung zu ermöglichen. Die Drehzahl wird über einen PWM-Eingang geregelt. AGC-basiertes Soft-Schalten (Automatic Gain Control) sorgt für ein stabiles Drehmoment und eine geringe Geräuschentwicklung – unabhängig von der Lüfterdrehzahl in einem breiten Drehzahlbereich.

Da Drohnen immer kompakter werden, steht nun eine kompaktere Version des MLX90297 zur Verfügung, um noch flachere Lüfter zu ermöglichen. Ähnlich wie der US168 wird auch der MLX90297-S in einem UTDFN-Gehäuse ausgeliefert, das weniger als 0,4 mm hoch ist. Der Baustein benötigt 5 mm2 Platz auf der Leiterplatte (2,5 mm × 2,0 mm). Die Strombelastbarkeit des MLX90297-S ist im Vergleich zum MLX90297-A auf 450 mA beschränkt.

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* Dirk Leman ist als Fan Drivers Product Line Manager bei Melexis tätig.

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