Drony na míru

Díly na míru 9 min čtení

Kabeláž, konektory a odlehčení tahu: díl, na který se zapomíná

Proč číslo v názvu konektoru není projektový údaj, co s vodiči dělají vibrace a hrany rámu, a proč odlehčení tahu, průchodka a vedení kabelů patří do návrhu dílu, ne k improvizaci před startem.

Miroslav Jaroš · odborná kontrola: ITHOPE

Rameno multikoptéry na dílenském stole, podél nosníku vedený svazek silikonových vodičů v tištěné příchytce, vedle rozpojený konektor a tištěná průchodka.

Číslo v názvu konektoru není projektový údaj. „XT60” neznamená 60 A trvale — tabulka výrobce, kterou publikuje Holybro, uvádí u XT60 30 A trvale a 60 A špičkově, zatímco běžné příručky u téhož konektoru píšou 60 A trvale. Každý zdroj počítá s jinou dobou, jiným průřezem vodiče a jiným dovoleným oteplením. Vodič, konektor a spoj jsou tři samostatné rozpočty a platí ten nejslabší. A nejčastější porucha kabeláže stejně nebývá elektrická, ale mechanická: prodřený vodič o hranu ramene a pájený spoj, který nese tah kabelu. Proto odlehčení tahu, průchodka a vedení patří do návrhu jako díly — ne jako stahovací páska přidaná před startem.

Jedno číslo, tři různé hodnoty

Tabulka konektorů a vodičů, kterou pro UAV publikuje Holybro, je nezvykle podrobná — u čísel uvádí podmínky:

KonektorVodičTrvalý proudŠpičkový proud
XT6012 AWG30 A60 A
XT9010 AWG45 A90 A
XT1208 AWG60 A120 A
AS1508 AWG75 A150 A

Podstatné jsou poznámky pod tabulkou: trvalá hodnota platí po dobu 4 hodin při oteplení nejvýše 60 °C, špičková po dobu 1 minuty při stejném oteplení. Holybro u svého napájecího modulu dodává, že předpájený XT60 s vodičem 12 AWG je určen na 30 A trvale a 60 A okamžitě, a při vyšším proudu je nutné změnit typ konektoru i průřez vodiče.

Vedle toho stojí zdroje, které u XT60 uvádějí 60 A trvale a 180 A špičkově po dobu 10 sekund (Oscar Liang), nebo prostě „XT30 = 30 A, XT60 = 60 A, XT90 = 90 A” jako doporučení, k němuž Unmanned Tech sami připojují správnou výhradu: jmenovitá hodnota konektoru je strop, ne doporučení. A katalogový list distributora u provedení XT60-M uvádí 30 A / 500 V — zase jiné číslo než příručky.

Nikdo z nich nelže. Liší se děj, který popisují: jinak se chová spoj zatížený čtyři hodiny a jinak spoj zatížený minutu; jinak konektor s vodičem 12 AWG, který teplo odvádí, a jinak tentýž konektor s tenčím vodičem, který ho do něj naopak přivádí. U XT30 je rozpor nejvýraznější — část zdrojů uvádí 15–18 A trvale a 30 A špičkově, jiné 30 A trvale.

Závěr je stejný jako u regulátorů: první otázka nezní „kolik ampérů”, ale „za jakých podmínek to číslo platí”. (Dimenzování regulátoru je vlastní téma — rozebírá ho článek jakou proudovou rezervu má mít ESC; tady jde o vodič, konektor a mechaniku kabelu.)

Průřez vodiče se nedimenzuje podle konektoru

Odpor vodiče roste s délkou a klesá s průřezem, ztráta na něm roste s druhou mocninou proudu. Z toho plynou dvě věci, které se v sestavách pravidelně přehlížejí: delší napájecí větev je jiná úloha než krátká — tentýž průřez, který na deseticentimetrovém pigtailu nikoho netrápí, se na půlmetrovém vedení k payloadu projeví poklesem napětí i oteplením. A konektor s vodičem mají každý svůj strop; platí ten nižší v daném uspořádání, při dané teplotě okolí a při daném proudění.

Že to nejsou akademické úvahy, ukazuje případ popsaný Unmanned Tech: vodiče 16 AWG od baterie k rozvodu spekly izolaci k sobě, protože stroj bral pod plným plynem řádově desítky ampér, zatímco silikonový vodič téhle tloušťky zvládá podle jejich tabulky kolem 18 A trvale. Chyba nebyla v rozvodné desce ani v regulátoru — ty údaje snesly. Nesnesl je vodič.

Do téhle úvahy patří i provedení vodiče. Silikonová izolace zůstává ohebná i po stovkách ohybů a snese vyšší teploty než PVC, které navíc v zimě tvrdne a praská. A vysoký počet tenkých drátků dělá vodič ohebným a odolným proti únavě — u tlustých napájecích vodičů se běžně uvádějí stovky drátků o průměru kolem 0,08 mm. Vodič, který se dá pěkně ohnout, není pohodlí montážníka; je to prevence lomu.

Balanční a signálové vodiče mají vlastní rozpočet

Balanční konektor je názorná ukázka toho, jak se strop najde jinde, než člověk kouká. JST v katalogovém listu řady XH — konektoru, který na balančních vývodech LiPo baterií potkáte nejčastěji — uvádí jmenovitý proud 3 A AC/DC při vodiči AWG #22, napětí 250 V AC/DC, rozsah teplot −25 °C až +85 °C včetně oteplení způsobeného protékajícím proudem, přechodový odpor max. 10 mΩ v novém stavu a max. 20 mΩ po zkouškách prostředí a použitelné vodiče AWG #30 až #22.

Tři z těch údajů stojí za pozornost. Jmenovitý proud je vázaný na konkrétní průřez — s tenčím vodičem to není totéž. Teplotní rozsah už oteplení od proudu zahrnuje, takže si ho nelze přičíst navrch. A přechodový odpor se zkouškami prostředí legálně zdvojnásobí — u konektoru, který jezdí v mrazu, vlhku a vibracích, to není detail.

Signálové vodiče mají problém opačný: proud skoro žádný, zato citlivost na okolí. ArduPilot v pokynech k návrhu kabeláže doporučuje sběrnicové páry kroutit — zhruba 10 zákrutů na 30 cm u páru a asi 4 zákruty na 30 cm u obou párů dohromady —, držet I²C co nejkratší a signálové vedení dál od silových a rušivých kabelů; ke kompasu dodává, že vodiče mezi baterií, rozvodem a regulátory mají být krátké a kroucené.

„Kudy povede kabel” tedy není otázka estetiky. Je to elektrické i mechanické rozhodnutí, které se dělá u úpravy dronu stejně jako u nové konstrukce.

Dosednutí: spoj, který drží, ale nedosedl

Nedokonale spojený konektor je záludný, protože funguje. Menší styčná plocha znamená vyšší přechodový odpor, vyšší odpor víc tepla a teplo spoj dál degraduje — děj s kladnou zpětnou vazbou, nezávislý na tom, jestli jde o dron nebo o rozvaděč. Přispívá k tomu prasklé tělo konektoru po pádu, ohnutý kolík, oxidace kontaktu i spoj, který si vibracemi uvolňuje sám sebe.

Konstrukčně se s tím dá dělat víc, než se zdá, a nic z toho není pájení:

  • Konektor nemá viset na vodičích. Jeho hmotnost i tah kabelu má nést uchycení, ne kolíky.
  • Spojení má mít definovaný směr a doraz. Tištěné lůžko, do kterého konektor zapadne a v němž se dá rozpojit tahem v ose, chrání kontakt víc než jakákoli páska.
  • Musí být vidět a musí jít nahmatat. Spoj, ke kterému se po přistání nedostanete rukou, jste přestali kontrolovat — a rozpojovat ho pákou přes hranu rámu znamená hýbat pájeným spojem.

Vibrace: vodič praská tam, kde se ohýbat nemůže

Motory rozechvějí celý stroj a vibrace jde do všeho, co je k rámu připojené. Únavový lom vodiče ale nevzniká uprostřed volné délky — vzniká na přechodu mezi ohebným a tuhým: těsně za pájeným spojem, těsně za krimpem, tam, kde se ohebný svazek opře o hranu. Zvlášť nepříjemný je pájený spoj, protože cín vzlíná do drátků a kus vodiče za spojem se změní z ohebného lanka na tuhou tyčku. Ohyb, který se dřív rozložil do několika centimetrů, se pak soustředí do jediného milimetru. Zkušenost stavitelů to shrnuje jednou větou: pájený spoj nemá nikdy nést mechanické zatížení.

Nejpřísněji je ten princip sepsaný kupodivu v kosmonautice. Dílenská norma NASA-STD-8739.4A pro kabely a svazky říká mimo jiné: vodiče vystupující z konektoru musí mít odlehčení (7.2.20); pro odlehčení v místě vstupu do konektoru se musí udělat opatření — zadní kryty, zalití, odlehčovací návleky (7.2.28); podepření vodičů a svazků musí minimalizovat namáhání způsobené rázy a vibracemi (7.2.29). Není to předpis pro drony a nikdo se jím tady „neřídí”; je to ale nejlépe sepsaná zkušenost s kabeláží, která žije v otřesech.

Norma zároveň rozlišuje dva pojmy, které se česky slévají do jednoho, a to rozlišení stojí za převzetí:

  • Strain relief (odlehčení tahu) — prvek, který zabrání narušení kontaktu a zakončení kabelu: díl, jenž přenese tah mimo spoj.
  • Stress relief (odlehčení napětí) — tvarovaná délka vodiče, která mezi dvěma zakončeními vytvoří dost materiálu na rozložení napětí. Kus kabelu navíc, záměrně ohnutý, ne napnutý.

Většina domácích kabeláží má první, ale nemá druhé. Vodič je napnutý „aby to bylo čisté” — a přesně proto praská.

Odlehčení tahu jako tištěný díl

Když se to přeloží do součástky, kterou umíme vytisknout, vypadá zadání takhle:

  1. Silová cesta obchází spoj. Díl svírá izolaci kabelu, ne vodič, a je ukotvený do rámu. Tah kabelu končí v rámu, ne na pájecí ploše.
  2. Sevření je definované, ne maximální. Přetažená stahovací páska se do měkké izolace zařízne a udělá z odlehčení naopak vrub. U tvarově měkkých materiálů (TPU) se sevření dá navrhnout tak, aby drželo a přitom nekouslo.
  3. Ohyb má poloměr. Zmíněná norma dává v tabulce poloměrů ohybu pro hotové svazky optimum 10× vnější průměr a u svazků z vodičů AWG 10 a tenčích bez koaxu minimum 3× průměr — jako vodítko pro tvar průchodky a vývodu je to použitelné i mimo kosmonautiku.
  4. Vodič má rezervu — a ta rezerva má tvar. Servisní smyčka vedená a uchycená, ne volně visící.
  5. Díl je rozebíratelný. Odlehčení, které se dá sundat jen odstřihnutím, se po prvním servisu nevrátí zpátky.

Tohle je přesně druh součástky, kterou řešíme v zakázkových dílech: příchytka na konkrétní nosník, průchodka do konkrétního otvoru, lůžko pro konkrétní konektor, kabelový kanál podél konkrétního ramene. Katalogové zboží to není — sedne to jen na váš rám.

Průchodky, hrany a vedení podél ramene

Druhá polovina problému je cesta, kterou kabel jde. Norma NASA to shrnuje do vět, které se dají obtisknout na jakýkoli rám: návrh a vedení svazků musí zajistit ochranu proti odírání, tečení materiálu, prodření, vibracím, tření a ostrým hranám (7.2.11); nadměrnému ohýbání a tlaku svazku přes ostré hrany se musí zabránit (7.2.30); tam, kde takové hrany jsou, se musí ochrana doplnit (7.2.31). Průchodku pak definuje prostě jako izolant, který zakrývá ostré hrany otvorů a chrání izolaci vodiče před prodřením.

Na dronu se to potkává se dvěma věcmi navíc. Karbonový nosník má po řezu ostrou a brusnou hranu, která tenkou izolaci odře rychleji, než by člověk čekal — a uhlík je elektricky vodivý, takže prodřená izolace nad karbonem není jen kosmetická vada. A ramena se hýbou: sklopné rámy a tlumené držáky payloadu znamenají, že se kabel v tom místě cyklicky ohýbá. K tomu patří sousedství: pryč od horkých míst, mimo dosah vrtulí a signálové vodiče stranou od silových. Kabelový kanál, který tohle drží, je tištěný díl jako kterýkoli jiný.

Servisovatelnost: kabeláž, kterou jde rozebrat

Poslední hledisko se v návrzích objevuje nejméně a v provozu bolí nejvíc. Svazek, který se dá opravit jen odpájením poloviny stroje, je špatný návrh, i kdyby držel.

Norma i tady dává vodítko: spojek (splices) má být co nejméně a nejspolehlivější je souvislý vodič od bodu k bodu (7.2.12, 7.2.32), poškozený vodič se nespojuje, ale vyměňuje (7.2.25), a spojka nesmí být v místě, kde dochází k ohybu (7.2.36). Napojený a smrštěný vodič uprostřed ramene tedy není oprava, je to odložený problém.

Co se do návrhu vyplatí dostat rovnou:

  • rameno se dá odpojit samostatně — jeden konektor, ne tři odpájené vodiče;
  • délky vodičů dovolí sestavu rozložit na stole a přitom nejsou zbytečně dlouhé;
  • konektory jsou přístupné bez demontáže payloadu a spoje jsou označené — po půl roce si nikdo nepamatuje, kam patřil který třípól;
  • příchytky jsou opakovaně použitelné, ne jednorázové pásky.

Co umíme a co bez měření netvrdíme

Umíme navrhnout a vyrobit tištěné díly, které tuhle část stroje drží pohromadě: průchodky, kabelové kanály a příchytky na míru, odlehčení tahu, lůžka a kryty konektorů, servisní smyčky a přístupy pro kontrolu — na váš rám, z fotek a rozměrů. A umíme říct, kde je vedení vedené tak, že to dřív nebo později prodře.

Co neuděláme: neuvedeme vlastní proudové limity vodičů ani konektorů, které jsme nezměřili. Neřekneme, který konektor je „nejlepší” — to je vždycky odpověď na konkrétní proud, prostor a četnost rozpojování. A neprohlásíme, že tištěný díl nahradí poddimenzované vedení; nenahradí, jen posune okamžik, kdy se to projeví.

Když se vodič utrhl při pádu nebo konektor vytrhl z lůžka i s kusem rámu, začíná se opravou: poškozené rameno, kryt nebo držák posoudíme z fotek v rámci opravy dronu.

Jeden konkrétní krok: pošlete poptávku s popisem sestavy a fotografiemi vedení kabelů — shora, zespodu a jedno rameno zblízka. Napište délku napájecí větve, typy konektorů, co je na stroji nového a kde už se něco odřelo nebo utrhlo. Vrátíme se s návrhem průchodek, držáků a odlehčení tahu jako tištěných dílů — i s tím, co v daném uspořádání nedává smysl.

Zdroje

kabeláž dronukonektoryodlehčení tahuprůchodkyvibracevedení kabelůservisovatelnost