ESC内蔵BEC電源の使用上の留意点

     このシリーズレギュレータICにはアンペア（A)で規定される出力電流以外に、もう一つ重要な落とし穴があります。

   半導体は熱に弱く、中枢部のICチップの表面が１８０℃以下といったように内部の許容最高温度が規定されています　  (測れませんが)。内部の温度は、電圧を下げるために捨てる熱によって温められます。

   中枢部の温度の上昇は発熱のワット数（W:捨てる分の電圧ｘ取り出す電流）で決まりますが、熱を周囲へ発散すれば内部温度は上がりにくくなります。

   つまり内部温度は周囲温度(気温)や通風、放熱板などの周囲環境によっても変わります。設置場所や環境、言い換えればユーザの使い方に左右されるのです。

   先ほど紹介した「１個で１A、２個並列に使って２A」という公表値は「ICの温度上昇がゼロの時の理論的な数値」なのです。言い換えると「無限大の表面積を持つ放熱器を取り付けたときの電流」と定義されています。

   この条件は絶対に実現不可能なので、実際の環境では、出力許容電流の実力値は大幅に下がってしまっています。

   実際には申し訳程度に３cm四方位のアルミ板がヒシチューブで巻かれてついている程度です。しかし多くはアルミ板はモータ制御のFETについていて、BEC用のICは裏側にあり、基板へ熱を逃がすだけになっています。

   チューブ超しでも風が当たればいい方で、最悪スポンジで巻かれて厳重に保温されて機体の底に詰め込まれているようなこともあると思います。規定以上に温度が上がると、内部回路により出力を止められてしまいますので深刻です。

BEC出力電流の実力

では実際にESCに組み込まれたシリーズレギュレータICからBECとして取り出せる電流を推測します。    周囲温度２５℃ではシリーズレギュレータIC単独で許容される消費電力（熱にしていい電力）は、放熱板も強制空冷もなしの最悪の状態で１個につき１ワット程度です。２個並列なら２ワットです。何の対策もしないで許される発熱量ということです。    この時許容される電流値に換算すると　入力と出力の電圧の差ｘ電流が発熱量ワットになりますから、２セルの場合１個で１W/（７．４-５．０）=０.４２A 　２個並列なら０．８４Aです。３セルなら１W/（１１．１-５．０）=０．１６Aとなります。２個並列でも０．３２Aです。    入力のセル数が多いほど下げなければいけない電圧が大きくなるため、発熱も増え、許容される電流は少なくなります。    実際のESCでは小さいながら放熱板をつけたり、気流による強制空冷を考えることで、この許容電流をもっと大きく改善しようとしています。しかしどんな放熱対策をすれば何Aまで可能なのか、机上で正確な実力限界値を計算することは困難です。    現実には、経験と山勘による推測ですが、付属の放熱板へヒシチューブ越しに強制空冷して、最小値の数倍程度と思います。具体的には２セルの場合１Aと書かれているもので０．８A〜１A　３セルでは２Aと書かれているものでも０．６A〜１A程度といったところではないでしょうか。    ただ発熱、温度上昇には一定の時間がかかりますので、短時間なら超えても大丈夫です。つまり数秒間から数十秒間の平均がこれに収まればよろしいと言えるわけです。飛行中の平均電流が、これ以下ならまあまあOKということで、推論を進めましょう。 飛行機で実際に必要な電流      いま飛んでいる飛行機は大丈夫なのでしょうか。実際必要な電流はメカによって違うし、平均電流は飛ばし方によっても変わります。    大雑把な測定と推測をしてみます。 以下に実測値を示します。手持ちからランダムに１個の測定で、数値は目安です。       クラス 測定した型番 静止電流 最大電流 マイクロサーボ HD1370 7mA 260mA 10gクラスサーボ ES08A 8mA 600mA 小型サーボ FP-S143 10mA 390mA 標準サーボ FP-S3502/S148/SM635 10mA 490mA〜500mA 受信機 TFR6/TFR4B 70mA 70mA    １ｍA＝０．００１A      静止電流はニュートラルにあるときの電流、最大電流は手でホーンを抑えてスティックを最大に振ったときの電流です。10gクラスのES08Aは小型ながら高トルクの仕様です。小型でも電流がたくさん流れる強いモータを使っていることが分かります。メーカや機種や動作モード（ハイレスポンスサーボなど）によってまた個体によって変動すると思われます。    受信機の電流は機種により差はあるでしょうが、動作中は常にほぼ一定で、サーボほどの変動はありません。    サーボ電流はホーンがロックしている時と、静止状態から回転を始める一瞬だけ最大電流が流れます。すぐに減っていき、スティックに追いついて停止した時、静止電流に戻ります。大きな風圧を受けて本来止まるべき位置まで回り切れないときも、ロックと同じ最大電流まで跳ね上がります。    サーボの平均電流はスティックをどの程度頻繁に動かすか、によって大幅に左右されます。リンケージがまずくてジージー言っているときは最大電流が流れ続けますので、引脚やスポイラのリンケージがいかに重要なことかご理解いただけると思います。    実際のフライトでの平均電流を測定しました。標準サーボを４個積んだ４０クラスエンジン機で、NiMH４．８V電池を満充電で離陸してから着陸まで、１０分程度のフライトでの実測値で、約２４０mAh消費していたというデータがあります。    換算すれば飛行中の平均電流は１．４４Aということが分かります。受信機分０．０７Aを除くとサーボ１個当たりでは０．３４Aと計算できます。スティック操作の頻度を勘案すれば、サーボ単体での測定結果と附合していると思います。 実例別評価      超小型機に使われるマイクロサーボは、最大電流は１個で０．３A以下です。４サーボのときの通常動作で、平均０．４A以下と推測すれば、前述の発熱を考慮した許容電流もさほど心配することはありません。特に小型機は２セルが主流なので、より問題ないといえます。念のため風当りの良さそうなところへ搭載すればなおよいと思います。    ３セルでは BEC２Aと書いてあれば、熱処理なしでの実力は０．３４A程度です。１０gのミニサーボ４個で、平均電流を０．８Aと推定すると、プロペラ後流を出来るだけ当てて、強制空冷してやっと、と思われます。気温の高い時でも安全に飛ばしたいなら「風のあたるところに搭載してください」という注意書きを忠実に守る必要があります。    フラップ引脚も付いて６サーボになると「ちょっと怖いかも」という状況になります。    ４０エンジン機相当の大きさ以上の機体であれば、４セル以上で大きめの標準サーボ６個以上搭載と思われます。この場合リニアBECでは対応困難で、それなりのESCで対応するか、またはメカ用別電源を、LiFeかNiMHで直接供給することになります。    飛行機の場合はきちんとリンクさえされていれば、サーボが静止している比率も高く、平均電流は少な目と思われますが、真夏の炎天下、アスファルトの照り返しの中で全サーボをガチャガチャ連続で数分間動かして試行してみた方がよさそうです。モータを回さずにESCがちんちんになっていないか確認してください。（やけどに注意！）    ヘリの場合ではスワッシュを動かすのが結構力がいるし、ジャイロがガチャついたり、３舵を常にギコギコ動かしているので、ESCアンプの過熱シャットオフが働き、メインモーターがストップしたこともあります。BEC出力のシャットダウンより、ESCのモータ出力のシャットダウンが先に起きたので、大事に至りませんでした。次項の対策をして起きなくなりました。 スイッチング方式SBEC・UBECの登場      スイッチング方式（SBECとかUBECとかいうが同じこと）が主流になりつつあります。電池の直流を、内部で一度交流にして変圧トランスで電圧を落としてまた直流にする仕組みになっています。    リニア型で熱にする分、スイッチング方式では電池からとりだす電気は少なくてもよくなります。入力電力と出力電力の比である変換効率は、良いものは９０%以上も期待できます。    その上スイッチング方式では入力電流は出力電流に対し、そのほぼ電圧の逆比で済みます。同じ５V１.5Aを取り出しても、入力電圧が高いほど入力電流は少なくて済みます。    出力に５V１．５A取り出すとき、入力に３セル１１．１Vをつなぐと１．５Ax５V/１１．１V＝０．６８Aで、効率９０%と仮定すると電池から流れ込む電流は０．７４Aほどで、取り出す電流のほぼ半部になります。２セルにつないだ場合は１．１Aほどになります。３セルの電池容量に換算すると１２４mAhです。２セル７．４Vなら１．１A、１８６mAhになります。おおよその数値での変換表を下に示します。    発熱はセル数によらず出力電流に依存します。１A取り出すときの発熱は、５Vx１Ax１０%＝０．５ワット程度で、３A連続で取り出しても問題ありません。    この特性を活かして、多セル対応のESCでは、スイッチング方式が普通になっています。    リニア型と同じく、出力電流の許容値は決まっていて、長時間大幅に超えると自身が壊れないように出力電圧を止めます。    特に大きな機体でもない限り、メカ用に必要な電流は、前項のとおり平均１．５A以下ですから、カタログ値で２A以上あれば余裕です。２A連続で取り出してもほんのり温かい程度です。発熱によるシャットダウンもついていますが、スイッチング方式では熱になる損失が少ないため、問題になることはまずありません。    欠点はノイズ発生で、オーディオ機器や無線機器などには注意が必要です。２．４GHzのパルス伝送機器はノイズに強いので心配いらないと思われますが、影響は信号が弱くなった時に現れますので、一度距離テストを行うことをお勧めします。 総括      以上の調査と推論を踏まえ、以下の結論に至りました。    ２セルの機体は、軽量化のため小さいサーボを載せており、ESC内蔵の１Aまたは２AリニアBECをそのまま使用することにしました。今後２セルでも多サーボの機体を作るときは少し考えようと思います。    ３セルの機体では、４サーボまでは強制空冷でぎりぎり大丈夫のようですが、スイッチング型にした方が安心、と考え全部切り替えました。SBEC付の新型ESCアンプにしたもの（２０AクラスでもSBEC３A付ESCがすでにあります。）と、新規に単機能のSBECを自作し、もとのESCに抱かせるように別付けにしたもの、また動力用LiPoのセル毎の電圧低下と劣化程度を高精度で検知し、電池を保護する自作ユニット(VLF)と一体にしたものがあります。    ４セル以上は扱ってませんが、SBEC型か別電池搭載が必須です。    またエンジン機もすべて、LiPo２セル１０００mAhからSBECで５V３Aを取り出すようにしています。(連続３AもOK)    プラグヒートは同じ電池から特製の自作SBECで１．５Vを印加します。送信機からの制御でオンオフでき、始動時と低回転時のみ、１フライト５分程度使用すると仮定して、２セルから取り出すと８４ｍAhほどになります。    このプラグ電源も含めて２セルから取り出すと、１フライトあたり２７０mAh程なので、１０００mAhの電池で３フライトできる計算ですが、安全を見て２フライトまでと決めています。 平均電流は１．５A程ですので、多少古くなってパワーの頼りなくなったLiPoでも使用可能です。ただし容量が少なくなっている場合もありますので、時々規定電圧まで放電したのち充電して、入ったクーロン量（ｍAhの値）を確認してください。    このようにスイッチングレギュレータ方式のBECは、シリーズレギュレータに比べて極めて効率もよく、安全です。最近では部品点数も少なく小型化して来ています。将来的には特殊な用途を除き、シリーズレギュレータは消える運命にあると思っています。利点欠点をよく見極めて、うまく使い分けてください。 目次に戻る