Почему конденсаторы важны для FPV дронов

Конденсаторы являются важным компонентом для дронов FPV, поскольку они помогают снизить скачки напряжения и электрические помехи в системе питания. Эти скачки напряжения и электрические помехи могут нанести вред электронным компонентам, особенно полетным контроллерам и ESC. Добавление конденсаторов в дрон FPV может защитить эти компоненты и повысить общую производительность дрона.

Содержание

•     Что купить?
•     Что такое конденсатор?
•     Преимущества дополнительных конденсаторов в дронах FPV
•     Нужно ли добавлять конденсатор?
•     Нужен ли конденсатор для цифровой системы FPV?
•     Какой тип конденсатора следует использовать?
•     Где установить конденсатор в дроне FPV?
•     Очистка питания гироскопа
          Добавление конденсатора к 3,3 В
          Добавление конденсатора к 5 В
•     Конденсатор нагревается после полета
•     Вредно ли добавлять слишком много конденсаторов?
•     Изнашиваются ли конденсаторы?
•     LC-фильтр против конденсатора
•     Результаты тестирования ESR
          330 мкФ
          470 мкФ
          1000 мкФ

Что купить?

Следующие рекомендации предполагают, что вы припаиваете конденсатор к основному источнику питания ESC 4in1. Если вы используете отдельные ESC, вы можете использовать конденсаторы меньшего размера для каждого ESC (например, 220 мкФ или 330 мкФ на ESC).

Серии Panasonic FM/FS и Rubycon ZLJ/ZLH отлично подходят, так как имеют одни из самых низких значений ESR (эквивалентного последовательного сопротивления).

• Для конфигураций 3S (16 В или выше, подходит также для 2S): 470 мкФ (3″, 4″)/330 мкФ (2″, 3″)/220 мкФ (2″)
• Для конфигураций 4S (25 В-35 В, подходит также для 3S): 1000 мкФ (5″, 6″, 7″)/ 680 мкФ (4″, 5″)/ 470 мкФ (3″, 4″)/ 330 мкФ (2″, 3″)/ 220 мкФ (2″)
• Для конфигураций 6S (35 В-50 В, также подходит для 4S): 1000 мкФ (5″, 6″, 7″)/ 680 мкФ (4″, 5″)/ 470 мкФ (3″, 4″)/ 330 мкФ (2″, 3″)/ 220 мкФ (2″)

Что такое конденсатор?

Конденсатор — один из наиболее распространенных электронных компонентов.

Конденсаторы накапливают электрический заряд в электрическом поле между двумя проводящими пластинами и могут быстро поглощать и разряжать электрическую энергию, как маленькая батарея. Конденсатор поглощает скачки напряжения и высвобождает накопленную энергию при падении напряжения, чтобы сгладить колебания напряжения и предотвратить повреждение других компонентов.

Преимущества дополнительных конденсаторов в дронах FPV

FET в наших ESC фактически являются переключателями. Они включаются и выключаются с высокой скоростью, десятки тысяч раз в секунду, чтобы приводить в движение двигатели, что может генерировать много электрических всплесков и шума. С развитием технологий, позволяющих создавать более мощные двигатели и ESC, а также повышать напряжение батарей, эта проблема становится еще более актуальной. Проблема шума является абсолютно критической, она может означать разницу между фантастическим дроном FPV и чем-то, что совершенно не подходит для полетов.

Конденсаторы могут помочь уменьшить электрические помехи и скачки напряжения, которые могут возникать при разгоне двигателей или при выполнении дроном высокоскоростных маневров. Кроме того, конденсаторы могут помочь уменьшить количество помех, которые генерирует система питания, что может улучшить качество аналогового видеосигнала с камеры дрона.

ESC и FC имеют конденсаторы для фильтрации, установленные на поверхности, но из-за нехватки физического пространства они, как правило, недостаточны. Как указано в моем руководстве по сборке дрона FPV (https://oscarliang.com/how-to-build-fpv-drone/), пайка дополнительных конденсаторов к нашему дрону FPV почти всегда обязательна для обеспечения оптимальной производительности.

Подводя итог, можно сказать, что добавление дополнительных конденсаторов в наш дрон FPV может дать следующие преимущества:

• Фильтрация электрических помех, генерируемых ESC и двигателями, уменьшение помех для сигналов ESC/радио/видео
• Улучшение летных характеристик за счет «очистки» шума в сигнале гироскопа
• Защита электроники от повреждающих скачков напряжения. Конденсаторы действуют как буфер, поглощая избыточную энергию, прежде чем она достигнет чувствительных компонентов
• Если вы летаете в аналоговом режиме, наличие подходящих конденсаторов на входе питания может помочь уменьшить видеошумы в вашем FPV-потоке

Вот пример (https://www.youtube.com/watch?v=XJl1zHpItds), показывающий, насколько улучшился мой FPV-видеопоток после установки конденсатора на входе питания XT60. 

Конденсатор может помочь очистить видеопоток мини-квадрокоптера FPV - Martian II & RacerStar build

Если вы не используете конденсаторы в своем FPV-дроне, у вас могут возникнуть такие проблемы, как:

• 1. Видеошумы и линии в видеопотоке, которые могут затруднить полет.
• 2. Неоптимальные летные характеристики, и вы не можете поднять PID  и фильтр ( https://oscarliang.com/pid/ ) так высоко, как могли бы в противном случае.
• 3. Компоненты более подвержены повреждениям от скачков напряжения, когда вы питаете их напрямую от батареи.

Нужно ли добавлять конденсатор?

Вы не обязаны использовать конденсаторы, но мы рекомендуем это сделать. 

Если у вас шумный квадрокоптер (много колебаний и сложно настроить PID и фильтры ( https://oscarliang.com/pid-filter-tuning-blackbox/ ) ) или шумный видеосигнал, то добавление конденсаторов, вероятно, будет первым, что вам следует попробовать.

Вот как вы можете определить, слишком ли шумный ваш квадрокоптер и нужен ли ему конденсатор.

• Прислушайтесь к двигателям и посмотрите, есть ли колебания, которые вы не можете настроить с помощью PID.
• Проверьте, не перегреваются ли двигатели.
• Шум в видеосигнале — еще один признак электрического шума в питании.
• В крайних случаях может произойти десинхронизация ESC/двигателя и «смертельный переворот» из-за повреждения сигналов ESC шумом.

Даже если у вас нет шумной конструкции, все равно рекомендуется добавить конденсаторы. Лучше перестраховаться, чем потом сожалеть, верно? :) Изогнутые и деформированные пропеллеры могут вызывать шум в питании, и добавление конденсаторов может помочь и в этом случае.

Нужен ли конденсатор для цифровой системы FPV?

Использование конденсатора на дронах FPV, будь то аналоговых или цифровых, настоятельно рекомендуется для обеспечения плавной работы и защиты чувствительных компонентов. Конденсаторы помогают уменьшить электрические помехи, генерируемые двигателями и ESC, которые в противном случае могут вызвать проблемы. На аналоговых квадрокоптерах эти помехи проявляются в виде видимых помех в видеопотоке, а на цифровых системах, таких как DJI или Walksnail, они могут привести к пропуску кадров, уменьшению дальности действия или снижению стабильности видео. Хотя цифровые системы лучше фильтруют шумы, они не застрахованы от их воздействия. Конденсатор также может уменьшить шумы, попадающие в гироскоп, что приводит к более плавной работе во время полета, и защитить компоненты от скачков напряжения, продлевая их срок службы.

Какой тип конденсатора следует использовать?

Существует три типа конденсаторов, которые обычно используются в дронах FPV:

• Керамические конденсаторы
• Электролитические конденсаторы
• Танталовые конденсаторы

Керамические конденсаторы являются наиболее популярным типом, используемым для поверхностного монтажа, благодаря своим небольшим размерам, низкой стоимости и высоким значениям емкости. Электролитические конденсаторы больше и дороже, но могут обеспечить более высокие значения емкости. Танталовые конденсаторы похожи на электролитические, но более надежны и имеют более длительный срок службы.

Наиболее распространенным типом конденсаторов, которые мы устанавливаем на дроны FPV самостоятельно, являются электролитические конденсаторы. Это небольшой цилиндр с металлическим корпусом (обычно алюминиевым) и двумя выводами (один положительный, один отрицательный).

При выборе конденсаторов для дрона FPV следует обратить внимание на следующие характеристики конденсаторов:

• Емкость: указывает, сколько заряда может хранить конденсатор. Для дрона FPV обычно требуются конденсаторы с емкостью от 100 мкФ до 1000 мкФ. Более высокие значения емкости могут обеспечить лучшую фильтрацию, но такие конденсаторы физически больше и тяжелее.
• Номинальное напряжение: это максимальное напряжение, которое конденсатор может выдержать до выхода из строя, оно должно быть выше пиковых напряжений, которые может производить электроника дрона. Например, если дрон питается от батареи 4S (14,8 В), следует выбирать конденсаторы с номинальным напряжением не менее 25 В, а для 6S — 35 В или выше. Нет ничего плохого в выборе конденсатора с более высоким номинальным напряжением, но они, как правило, имеют большие размеры.
• ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) — это сопротивление, которое конденсатор оказывает току, и более низкое ESR, как правило, лучше для фильтрации шума, как показано в этом видео ( http://intofpv.com/t-filtering-out-esc-noise-in-power-for-fpv-capacitor-choice ).

Выбирайте номинальное напряжение в зависимости от количества элементов LiPo, скачки напряжения могут быть выше напряжения батареи, поэтому безопаснее выбирать конденсатор с более высоким номинальным напряжением, чем LiPo.

•     3S: 16 В или выше
•     4S: 25 В или выше
•     5S: 35 В или выше
•     6S: 35 В или выше
•     8S: 50 В или выше
•     12S: 63 В или выше

Вы можете использовать конденсатор с более низким напряжением, но в этом случае вы рискуете сократить срок службы и снизить производительность. Убедитесь, что вы приобретаете конденсатор с низким ESR (с пометкой «низкий ESR» на странице продукта).

Где установить конденсатор в дроне FPV?

Дроны FPV обычно требуют добавления конденсаторов в систему питания, либо через силовые провода, либо непосредственно на силовые контакты ESC. Общая идея заключается в том, чтобы подключить конденсатор как можно ближе к MOSFET в ESC, чтобы максимально повысить его эффективность. Для ESC 4in1 это обычно означает силовые контакты для пайки.

Если у вас нет места, вы можете укоротить ножки конденсатора, затем припаять несколько гибких силиконовых проводов для удлинения и разместить конденсатор в другом месте внутри рамы. Но убедитесь, что провода как можно короче, чтобы минимизировать сопротивление, и используйте провода большего сечения (например, для 6S 5″ 20AWG или даже 18AWG — хороший выбор).

Очень важно понимать полярность конденсатора: более длинный вывод является положительным (+), а более короткий — отрицательным (-). Маркировка на корпусе (белая этикетка) также указывает, какой вывод является отрицательным. Если вы допустите ошибку, конденсатор не будет работать, он может даже взорваться, будьте осторожны!

Припаяйте конденсатор к контактам питания ESC или XT60. Отрицательный к отрицательному, положительный к положительному.

Очистка питания гироскопа

Если у вашего мини-квадрокоптера есть проблемы с электрическими помехами, такие как колебания и перегрев двигателей, и простое добавление большого конденсатора к XT60 или ESC не решает эту проблему, то вам стоит подумать о добавлении небольшого конденсатора непосредственно к источнику питания гироскопа. Это позволит более эффективно устранить помехи в питании гироскопа.

Я рекомендую этот способ только опытным пользователям. Непросто найти место, куда припаять конденсатор, к тому же для этого требуются хорошие навыки пайки. Если у вас нет проблем, вам не нужно об этом беспокоиться. Если же проблемы есть, сначала попробуйте другие, более простые методы, а этот способ оставьте в качестве последнего средства.

Добавление конденсатора к 3,3 В

Гироскоп на наших полетных контроллерах питается от стабилизатора LDO 3,3 В, поэтому вам просто нужно припаять конденсатор к выводу 3,3 В гироскопа или к выходу 3,3 В LDO. Другой конец конденсатора припаяйте к земле.

Популярные варианты: танталовый конденсатор 4 В 220 мкФ, 330 мкФ или 470 мкФ.

Для достижения наилучшего результата шина 3 В должна быть отфильтрована как можно ближе к гироскопу.

Очень немногие FC используют одну и ту же шину 3,3 В с MCU и приемниками Spektrum, поэтому вы можете получить доступ к шине 3,3 В на внешней паяной площадке. По моему мнению, это не очень удачная конструкция FC, поскольку в ней нет специального малошумящего стабилизатора только для гироскопа, но это упрощает пайку конденсатора, если это необходимо.

Добавление конденсатора к 5 В

LDO 3,3 В для гироскопа получает питание от шины 5 В, поэтому вы также можете отфильтровать шину 5 В, что также очистит шумы для гироскопа. Это может быть не так эффективно, как фильтрация на шине 3,3 В, но стоит попробовать, если это более доступно.

Популярные варианты: танталовый конденсатор 6 В 220 мкФ, 330 мкФ или 470 мкФ.

Конденсатор нагревается после полета

Возможные причины нагрева конденсатора после полета (или его взрыва):

•     Емкость слишком мала. Например, если вы используете 680 мкФ, попробуйте 1000 мкФ.
•     Это может быть признаком слишком высоких скачков напряжения, вам следует приобрести конденсатор с более высоким номинальным напряжением. Например, если вы используете конденсатор 35 В на 6S, вам может понадобиться конденсатор 50 В.

Вредно ли добавлять слишком много конденсаторов?

Краткий ответ — нет.

Если вы фильтруете сигнал определенного частотного диапазона, вам следует точно контролировать емкость и индуктивность в вашей схеме. Но в данном случае мы имеем дело только с постоянным напряжением и фильтром низких частот, вы не будете «перефильтровывать» постоянное напряжение, поэтому можете использовать столько емкости, сколько хотите, и это не будет проблемой. Фактически, чем больше конденсаторов вы используете в своем дроне, тем сильнее работает фильтр низких частот.

Поэтому используйте столько конденсаторов, сколько хотите, если у вас есть место для их установки.

Изнашиваются ли конденсаторы?

Краткий ответ – да.

Электролитические конденсаторы, используемые в дронах FPV, имеют ограниченный срок службы и со временем могут изнашиваться из-за таких факторов, как высокая температура и высокое напряжение. Когда электролитический конденсатор изнашивается, он может протекать или выпячиваться, а его емкость может уменьшаться. Это может привести к нестабильности и шуму в источнике питания, что может повлиять на работу электроники. Рекомендуется периодически проверять и заменять конденсаторы в вашем дроне, даже если они выглядят «нормально», возможно, стоит заменять их регулярно.

Вы можете проверить емкость с помощью специального устройства, многие современные цифровые мультиметры имеют эту функцию. Но сначала вам нужно отпаять конденсатор от дрона, потому что в ESC параллельно подключено много других конденсаторов. Но если вы собираетесь удалить конденсатор только для тестирования, то можно просто заменить его.

LC-фильтр против конденсатора

LC-фильтры часто используются в системах FPV для борьбы с видеошумом, но они защищают систему только после появления шума. С другой стороны, добавление конденсатора к источнику питания защищает всю систему, предотвращая появление шума в первую очередь.

Выбор конденсатора с низким ESR

https://docs.google.com/spreadsheets/d/14M4Z0GPJp3u7L3bmYBizHm3Leg0XOCmAWQOx_wEgEng

Конденсаторы, рассчитанные на 25 вольт подойдут для коптеров с 4S LiPo, хотя есть смысл выбрать конденсаторы на 35 вольт, чтобы был запас, т.к. скачки напряжения могут быть больше 25 вольт. Для коптеров с 5S и 6S LiPo напряжение должно быть ещё выше.

Результаты испытаний ESR

330 мкФ
25 В

35V

470uF

25V

35V

1000uF

25V

35V

• Серии Panasonic EB, EE, HD, NHG, GA, M, SU, KA и KS не являются низко-ESR
• Серии Samwha SD, BH и RD не являются низко-ESR, WL и WF являются средними
• United Chemi-Con (UCC) с серией KZM сопоставима с KZH
• Существует гораздо больше конденсаторов Vishay с низким ESR, но они слишком большие
• Конденсаторы Rubycon с низким ESR имеют емкость только до 220 мкФ, поэтому они не показаны здесь
• Elna RJ3 и RJ4 являются сопоставимыми

Источник (18th February 2023): https://oscarliang.com/capacitors-mini-quad/