ระบบไฟฟ้าบนอากาศยาน

ทำไมต้องรู้

โดรนสำรวจหนึ่งลำมีอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายสิบชิ้นที่ต้องการแรงดันต่างกัน มอเตอร์ใช้ไฟตรงจากแบตเตอรี่ 22 V ตัวควบคุมการบินใช้ 5 V กล้องบางรุ่นใช้ 12 V ถ้าตัวแปลงแรงดันจ่ายกระแสไม่พอ หรือไฟตกชั่วขณะตอนมอเตอร์เร่ง ตัวควบคุมการบินอาจรีเซ็ตกลางอากาศ (brown-out) ซึ่งหมายถึงโดรนตก การออกแบบระบบจ่ายไฟจึงเป็นเรื่องความปลอดภัยโดยตรง

ทั้งวิชาใช้กรณีสมมติเดียว: ออกแบบระบบไฟฟ้าของโดรนสำรวจสี่ใบพัดแบตเตอรี่ 6S มวลขึ้นบิน 3.2 kg ติดกล้องบน gimbal โค้ด Python ของทุกโมดูลดาวน์โหลดได้ที่ /downloads/uat-203/

สถาปัตยกรรมการจ่ายไฟ

• บอร์ดกระจายไฟ (PDB) แยกไฟจากแบตเตอรี่ไปยัง ESC และอุปกรณ์อื่น ต้องรับกระแสรวมสูงสุดได้
• Power module จ่ายไฟที่เสถียรให้ตัวควบคุมการบิน และวัดแรงดันกับกระแสเพื่อใช้กับ failsafe แบตเตอรี่ ตามเอกสาร ArduPilot การมีแหล่งไฟแยกที่เสถียรช่วยลดความเสี่ยงไฟตกจนตัวควบคุมรีเซ็ต
• BEC (battery eliminator circuit) คือตัวแปลงแรงดันแบบสวิตชิ่งที่ลดแรงดันแบตเตอรี่ลงเป็น 5 V หรือ 12 V สำหรับอุปกรณ์อื่น

งบกำลังไฟ

งบกำลังไฟ (power budget) คือตารางกำลังของอุปกรณ์ทุกตัว แยกตามระดับแรงดัน เพื่อเลือกตัวแปลงแรงดันให้พอ และรู้ว่าระบบใช้กำลังรวมเท่าใด ตัวแปลงแรงดันไม่ได้ให้กำลังฟรี กำลังขาออกหารด้วยประสิทธิภาพคือกำลังที่ดึงจากแบตเตอรี่

loads = {  # อุปกรณ์: (แรงดันราง V, กำลังสูงสุด W)
    "flight controller": (5, 2.5), "GNSS + compass": (5, 1.0), "RC receiver": (5, 0.5),
    "telemetry radio": (5, 2.0), "LEDs": (5, 2.0), "camera": (12, 8.0), "gimbal": (12, 6.0),
}
eta = 0.85                       # ประสิทธิภาพตัวแปลงแรงดันสมมติ
v_batt = 22.2
for rail in (5, 12):
    watts = sum(p for v, p in loads.values() if v == rail)
    print(f"{rail:>2} V rail: {watts:.1f} W = {watts / rail:.2f} A out; "
          f"draws {watts / eta / v_batt:.2f} A from the battery")

avionics_w = sum(p for _, p in loads.values()) / eta
hover_w, max_motor_a = 4 * 95, 4 * 25
print(f"avionics {avionics_w:.1f} W from the battery; hover propulsion {hover_w} W")
print(f"peak battery current ≈ {max_motor_a + avionics_w / v_batt:.1f} A (all motors at maximum)")

 5 V rail: 8.0 W = 1.60 A out; draws 0.42 A from the battery
12 V rail: 14.0 W = 1.17 A out; draws 0.74 A from the battery
avionics 25.9 W from the battery; hover propulsion 380 W
peak battery current ≈ 101.2 A (all motors at maximum)

เลือกตัวแปลงแรงดัน

• กระแสขาออก ต้องมากกว่าโหลดสูงสุดพร้อมส่วนเผื่อ เช่น 1.5–2 เท่า
• ช่วงแรงดันขาเข้า ต้องรับแรงดันแบตเตอรี่เต็ม (25.2 V สำหรับ 6S) ได้
• สัญญาณรบกวน ตัวแปลงแบบสวิตชิ่งสร้างสัญญาณรบกวน วางให้ห่างเข็มทิศและเสาอากาศ GNSS
• การวัดไฟ power module ต้องสอบเทียบค่าคูณแรงดันและกระแส (ดู UAT 321)

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• ระบบจ่ายไฟของโดรนมีแบตเตอรี่ PDB ESC power module และ BEC หลายระดับแรงดัน
• งบกำลังไฟแยกตามราง ใช้กำลังสูงสุด และหารด้วยประสิทธิภาพของตัวแปลง
• ไฟของระบบอิเล็กทรอนิกส์ใช้กำลังน้อยแต่สำคัญที่สุด ต้องเสถียรและมีส่วนเผื่อ
• ทำตามข้อกำหนดการจ่ายไฟของตัวควบคุมการบินรุ่นที่ใช้

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. อุปกรณ์ 5 V รวม 10 W ต้องการกระแสขาออกเท่าใด
2. ตัวแปลงประสิทธิภาพ 80% จ่าย 10 W จากแบตเตอรี่ 20 V ดึงกระแสขาเข้าเท่าใด
3. BEC 5 V ควรมีพิกัดอย่างน้อยเท่าใด ถ้าโหลดสูงสุด 1.6 A และต้องการส่วนเผื่อ 1.5 เท่า
4. แบตเตอรี่ 6S ชาร์จเต็มมีแรงดันเท่าใด และเกี่ยวกับการเลือกตัวแปลงแรงดันอย่างไร
5. ทำไมไฟตกชั่วขณะของตัวควบคุมการบินจึงอันตราย