Modelbouw elektronica

Wat zijn afstandsbedieningen voor het maken van modellen?

Of u nu scheepsmodellenbouwer, automodelbouwer, vliegmodelbouwer of functionele modelbouw bent: zodra een model trouw aan het origineel moet worden verplaatst, komt de afstandsbedieningstechniek in beeld. En juist op dit gebied hebben de ontwikkelingen de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt.

Wat een drama was het enige tijd geleden toen alleen de frequentiebereiken 27, 35 of 40 MHz beschikbaar waren voor het aansturen van modellen. Naast de frequentie-interferentie veroorzaakt door de CB-radio's, die toen wijdverbreid waren, braken ook veel modellen door de dubbele toewijzing van zenderkanalen. Menig modelbouwer heeft hier een zeer hoge pijngrens moeten bewijzen om de interesse in de hobby niet te verliezen. Maar tot grote vreugde van veel modelbouwers is deze ramp nu eindelijk voorbij.

De nieuwe afstandsbedieningstechnologie met 2,4 GHz

Met de introductie van de 2,4 GHz-frequentieband en de beschikbaarheid van geavanceerde zend- en ontvangsttechnologie uit het WLAN-gebied, was het slechts een kwestie van tijd voordat deze slimme technologie ook werd gebruikt voor het maken van afstandsbedieningen. En de introductie van de nieuwe 2,4 GHz afstandsbedieningstechnologie loste niet alleen veel van de oude problemen op. Er zijn ook enkele nieuwe en zeer interessante functies mogelijk gemaakt:

Hogere transmissiebeveiliging

In tegenstelling tot de oude systemen, die permanent op een vast kanaal zonden, springen de nieuwe afstandsbedieningen heen en weer tussen de kanalen en bezetten slechts een van de ongeveer 80 beschikbare kanalen gedurende een fractie van een seconde. Het proces dat bekend staat als frequency hopping heeft het grote voordeel dat er slechts minimale informatie verloren gaat als een kanaal wordt verstoord. Bovendien ondersteunen sommige afstandsbedieningen de LBT-functie (Listen Before Talk). Met deze functie controleert de zender eerst of het nieuwe kanaal echt vrij is voordat hij zijn informatie over de frequentie van dit kanaal naar de ontvanger stuurt.

Betere afwijzing van interferentie

Doordat de ontvanger digitaal aan de zender is gekoppeld, reageert de ontvanger alleen op de signalen van "zijn" zender. Het parallel bedienen van meerdere zenders of modellen in een kleine ruimte (bijv. Op een modelvliegveld of in een modelautorace) is met 2,4 GHz afstandsbedieningen geen probleem meer.

Correctie van transmissiefouten

Door aanvullende informatie te verzenden, kan de ontvanger het ontvangen signaal op juistheid controleren. De ontvanger in het model kan dus alleen de juiste stuurinformatie naar de servo's, controllers en elektronische componenten sturen. De gevreesde levensduur van de modellen door storingen behoort tot het verleden.

Snelle signaaloverdracht

Door de grotere bandbreedte van de transmissiekanalen wordt besturingsinformatie met een grotere resolutie en met een hogere snelheid verzonden. In verband met snelle servo's zijn reflexachtige stuurbewegingen, zoals die nodig zijn voor het besturen van snelle modelauto's, mogelijk in fracties van een seconde.

Eenvoudige antenne-installatie

Omdat de antennes op een 2,4 GHz afstandsbedieningssysteem slechts ongeveer 3 cm lang zijn, kunnen ze gemakkelijker in het model worden "verborgen". Vooral prototypische modellen worden aanzienlijk geüpgraded als geen lange antennedraden het uiterlijk bederven. Bovendien is het hanteren van de afstandsbedieningszender met een korte zenderantenne veel gemakkelijker. Er zijn geen intrekbare telescopische antennes meer die de neiging hebben om te buigen of te breken.

Gebruik van een retourkanaal

Hoogwaardige afstandsbedieningen voor modelbouw zenden niet alleen stuursignalen van de zender naar de ontvanger in het model. Informatie van het model wordt via het retourkanaal teruggestuurd naar de afstandsbediening. In combinatie met de bijbehorende telemetriesensoren kunnen de sterkte en kwaliteit van het ontvangersignaal, de spanning van de ontvangerbatterij, de motortemperatuur of de hoogte of de luchtsnelheid op het zenderdisplay worden weergegeven.

Natuurlijk is er ook een breed scala aan 2,4 GHz afstandsbedieningen die alle mogelijke toepassingen dekken. Van de simpele 2-kanaals draaiknop afstandsbediening voor automodellen tot goedkope 4-kanaals handheld afstandsbedieningen, het assortiment strekt zich uit tot volledig uitgeruste hand- of bureauzenders waarmee helikopters, jets en zondig dure grote modellen kunnen worden bestuurd.

Ontvanger met extra functies

Omdat meerdere 2,4 GHz-ontvangers kunnen worden bediend of gekoppeld aan een 2,4 GHz-zender, maken veel modelbouwers natuurlijk gebruik van de optie en bouwen ze in elk model een eigen ontvanger in.

Zo kun je op een modelvliegveld heel snel schakelen tussen de modellen. Sommige ontvangers zijn uitgerust met twee of zelfs 4 ontvangstniveaus, elk met een eigen antenne.

Dit heeft als voordeel dat elke antenne in een andere richting kan worden gericht en zo heeft het model een perfecte ontvangst in elke vliegpositie of in elke rijsituatie.

Bovendien "verpakken" de fabrikanten andere nuttige functies in de ontvangers. Een gyro-ontvanger heeft ingebouwde elektronica met positie- en versnellingssensoren, om bijvoorbeeld een vliegmodel absoluut stabiel te houden in elke vliegpositie. Plotselinge zijwind bij de landing gooit het model dan niet meer uit zijn vliegroute.

Wat zijn servo's voor het maken van modellen?

Met een afstandsbedieningszender worden de bewegingen van de stuurknuppels en de actuele standen van de schakelaars en draai- / schuifregelaars omgezet in elektronische signalen. Deze signalen worden gecodeerd (versleuteld) en via de radio naar het model verzonden. In het model moet de elektronische stuurinformatie worden ontvangen, gedecodeerd en weer omgezet in een mechanisch uurwerk.

Voor het omzetten van een stuursignaal in beweging zijn modelleerservo's ontwikkeld. Servo's bevatten naast elektronica een kleine motor die via een versnellingsbak een schuurhendel (hefboomkruis) aandrijft. De beweging van de hendel is evenredig met de stuurknuppel. Als de stuurknuppel in de middelste stand staat, staat de servohendel ook in de middelste stand. Als de stuurknuppel wordt afgebogen, beweegt de servohendel tegelijkertijd in dezelfde richting.

Wat aan de zenderzijde technisch vrij eenvoudig te doen is met potentiometers of Hall-sensoren, vormt een veel grotere uitdaging in het model. Omdat de modelbouwers een breed scala aan eisen stellen aan de servo's in hun modellen:

lengte en gewicht

Een servo moet bij het model passen. Veel modelfabrikanten specificeren daarom de grootte van de te gebruiken servo bij het ontwerpen van het model door de afmetingen van de servo-installatiesleuf. Er zijn echter ook modellen waarbij de keuze van servo vrij is, omdat de benodigde servo mounts of servo assen door de modelbouwer zelf gemaakt moeten worden. Om deze reden worden servo's aangeboden in een grote verscheidenheid aan maten en uitvoeringen.

Bedieningskoppel en houdkoppel

De volgende belangrijke criteria voor een servo zijn het bedieningskoppel en het houdkoppel. Dit betekent hoeveel kracht een servo genereert voor de articulatie van roeispanen of stuurstangen en hoeveel kracht de afgebogen elementen op hun plaats worden gehouden.

Aangezien conventionele servo's een draaibaar gemonteerde uitvoerhefboom hebben en daarom onder de hefboomwet vallen, worden de waarden in Ncm gegeven. Een servo met een bedieningsmoment van 30 Ncm kan een massa van ca. 3 kg heffen als het draaipunt 1 cm verwijderd is van het draaipunt van de servohendel.

Regelsnelheid

De bedieningssnelheid is een ander belangrijk criterium dat hoogwaardige servo's onderscheidt. Hoe minder tijd een servo nodig heeft om van het ene eindpunt naar het andere te draaien, des te beter worden snelle stuurcommando's door de zender uitgevoerd. Maar zelfs als z. Als bijvoorbeeld elektronische stabilisatiesystemen (gyroscopen) worden gebruikt in modelhelikopters, is het noodzakelijk dat de daarop aangesloten servo's snel en betrouwbaar kunnen reageren op de stuurpulsen die door de gyroscoop worden gegenereerd.

Analoog of digitaal

Een servo is met een driedraads kabel op een ontvanger aangesloten. Naast de voedingsspanning (plus en min) wordt de stuurinformatie op de derde draad verzonden. Hiervoor zendt de ontvanger 50 keer per seconde of elke 20 ms (milliseconden) een stuurpuls uit.
Dat klinkt in eerste instantie vrij snel. Er moet echter rekening mee worden gehouden dat de instellingsinformatie voor de zenderbesturingssticks en schakelaars na elkaar wordt verzonden en dat de pulsbreedte dus slechts 0,9 - 2,1 ms is (servo-middenpositie = 1,5 ms), afhankelijk van de positie van de stuurknuppel (zie signaal A in Schakelschema 1). In de resterende tijd (19,1 - 17,9 ms) ontvangt de servo geen instelinformatie en heeft daarom gedurende deze tijd geen mogelijkheid om de servohendel in de gewenste positie te bewegen of de door de zender opgegeven positie vast te houden.

Het schakelschema 1 toont de schematische structuur van een conventionele analoge servo. Je kunt duidelijk zien dat de servomotor maar één stuurpuls ontvangt in een periode van 20 ms (zie signaal B). Hoe groter de afwijking van de servohendel van de werkelijke positie naar de doelpositie, hoe groter de motorimpulsen. De huidige positie van de servohendel (actuele positie) wordt via een potentiometer aan de besturingselektronica doorgegeven.

Een digitale servo is mechanisch opgebouwd als een analoge servo. Er wordt echter een microprocessor gebruikt in plaats van de spanningsgestuurde stuurtrappen. Na het digitaliseren en opslaan van de instelinformatie van de ontvanger kan de processor nu ook de servomotor aansturen in de pulspauzes (19,1 - 17,9 ms) om de servohendel in de gewenste stand te brengen of te houden.
Dit betekent dat digitale servo's sneller en krachtiger werken en enorme houdkrachten hebben. En aangezien zelfs minimale afwijkingen van de doelpositie worden bijgesteld, zijn digitale servo's ook veel nauwkeuriger. De frequente activering van de servo verhoogt echter ook de vermogensbehoefte van de servo.

Het schakelschema 2 toont de schematische opbouw van een digitale servo. Je kunt duidelijk zien dat de servomotor in een periode van 20 ms veel meer stuurpulsen ontvangt dan de analoge servo (zie signaal B). Ook hier is de pulsbreedte afhankelijk van het doel en de werkelijke positie van de servohendel.

Wat zijn modelbouwcontrollers?

Naast de mechanische bediening van roeispanen of stuurstangen is het ook nodig om motoren te kunnen beïnvloeden met behulp van de afstandsbediening. Hiervoor zijn er motorcontrollers of snelheidsregelaars, die op dezelfde manier worden aangestuurd als een servo. Dit betekent: de snelheid van de motor wordt gewijzigd afhankelijk van de positie van de stuurknuppel op de zender.

Snelheidsregelaar of snelheidsregelaar

Hoewel er vaak snelheidsregelaars worden gebruikt, zijn het niet altijd snelheidsregelaars, maar meestal snelheidsregelaars. Dit betekent: Als de stuurknuppel voor de motorfunctie op 50% van het maximale vermogen op de zender is ingesteld, voorziet de snelheidsregelaar de motor in het model van 50% van het batterijvermogen. Een snelheidsregelaar kan niet detecteren of beïnvloeden of de motor echt werkt met 50% van zijn vermogen of sneller of langzamer draait door veranderende belastingen.

Een snelheidsregelaar daarentegen registreert de huidige snelheid van de motor en past automatisch de energie voor de motor aan als de snelheid toeneemt of afneemt als gevolg van een verandering in de belasting. Deze regelmodus (Govener-modus) is bijvoorbeeld belangrijk bij elektrische modelhelikopters, omdat deze met een constante rotorsnelheid moeten worden bediend.

Brushed controller of brushless controller

Bij het selecteren van de juiste snelheidsregelaar moet eerst rekening worden gehouden met de motor. Als de motor een collectormotor is, waarbij de stroom via twee koolborstels (borstel) op het anker wordt overgebracht, moet ook een geborstelde controller worden gebruikt.

Borstelmotoren hebben echter veel nadelen. De koolborstels verslijten en moeten continu onderhouden of vervangen worden. Bij draaiende motor ontstaat de zogenaamde borstelbrand op de borstels, wat kan leiden tot aanzienlijke storing bij het ontvangen van de afstandsbedieningssignalen.

Om deze reden hebben steeds meer borstelloze motoren zich gevestigd in de modelbouw. Deze motoren werken als driefasige motoren, hebben dus ook drie aansluitkabels en hebben geen koolborstels nodig (brushless). Als gevolg hiervan hebben deze motoren speciaal ontworpen borstelloze controllers nodig.

De volgende afbeeldingen tonen de verschillen tussen de twee motortypen:

Let op technische gegevens

Bij de keuze van een snelheidsregelaar / snelheidsregelaar moeten altijd de technische gegevens in acht worden genomen. Hoewel de maximale stroom en de maximale bedrijfsspanning onder geen enkele omstandigheid mogen worden overschreden, is de specificatie van de motorwikkelingen (windingen *) voor automodelregelaars een minimumwaarde die niet mag worden onderschreden.

Aangezien enkele van de controllers bijvoorbeeld ook Lipo-accu's tegen volledige ontlading beschermen en individueel aan de aangesloten motor kunnen worden aangepast, moeten de fabrikant en de programmeerinstructies bij de installatie in acht worden genomen.

Wat zijn elektronische componenten voor modelbouw?

Als een model moet worden uitgerust met meer dan alleen rij- en stuurfuncties, zijn elektronische modules vereist. Met deze modules en een beetje handvaardigheid is het dan vrij eenvoudig om positielichten, koplampen, relais of andere verbruikers aan en uit te zetten met behulp van de afstandsbediening. Als onder de motorkap ook een prototypisch motorgeluid te horen is, dan is het model in zijn mooiste vorm.

De betrouwbare stroomvoorziening van het model via een batterijhouder is ook een zeer belangrijk aspect. Om de operationele veiligheid van hun modellen te verbeteren, gebruiken veel modelbouwers twee batterijen om de ontvanger en de servo's van stroom te voorzien. Een batterijschakelaar bewaakt vervolgens het spanningsniveau van beide batterijen en gebruikt altijd de batterij met het hogere spanningsniveau om het model van stroom te voorzien. Mocht een accu uitvallen door een technisch defect, dan kan de tweede accu het model toch betrouwbaar van energie voorzien.

Welke accu's en welke laadtechniek zijn geschikt voor modelbouw?

Modelbouwers moeten niet alleen alles weten over hun model en de ingebouwde elektronica. Modelbouwers weten ook de weg als het gaat om batterijen en oplaadtechnologie. Dit is ook absoluut noodzakelijk, want oplaadbare batterijen voorzien de modellen van vitale energie of van vitale energie. Daarom hechten veel modelbouwers veel belang aan een betrouwbare stroomvoorziening voor hun modellen.

NiMH-batterijen en accupacks

In de handel verkrijgbare NiMH-ronde-celbatterijen, bijv. In Mignon-uitvoering, worden voornamelijk gebruikt in instap-sets voor de zendervoeding. Voor de voeding van de ontvanger zijn gelaste accupacks in een groot aantal verschillende uitvoeringen de betere keuze.

Want met de trillingen waaraan een model tijdens het gebruik continu wordt blootgesteld, kunnen de contacten in een batterijhouder snel leiden tot onderbrekingen of losse contacten. 

De gevolgen van dergelijke wankele contacten zijn uitval in het ontvangende systeem, wat kan leiden tot een totaal verlies van controle. Een nachtmerrie voor elke modelbouwer.

Lithium batterijen

Op het gebied van aandrijfbatterijen hebben lithium-polymeerbatterijen (LiPo) de NiMH-batterijen lang overtroffen. Geen wonder, want LiPo-batterijen zijn lichter en hebben een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan NiMH-batterijen.

Deze batterijen willen echter correct worden behandeld. Te diep ontladen is net zo schadelijk als overladen. In extreme gevallen kan de batterij mechanisch worden vernietigd met een acuut risico op brand en explosie.
Om deze reden is het belangrijk om het batterijtype en het aantal cellen in te stellen bij het programmeren van snelheidsregelaars / -regelaars. Als er een risico op totale ontlading bestaat, schakelen de regelaars / actuatoren de motor uit of verlagen ze het vermogen.

Om elke individuele cel tijdens het laadproces te kunnen bewaken, hebben LiPo-accu's naast de hoogstroomaansluitkabels speciale balancer-aansluitingen. Aangezien sommige LiPo-batterijen alleen met folie zijn bedekt, moet er ook voor worden gezorgd dat puntige of scherpe voorwerpen de buitenhuid niet kunnen beschadigen.

Bij correct gebruik bieden LiPo-batterijen echter langdurig rij- en vliegplezier.

Loodaccu's

Maar wie gelooft dat in het tijdperk van lithiumbatterijen en borstelloze motoren beproefde loodbatterijen niet langer nodig zijn, heeft het mis. Scheepsmodelbouwers gebruiken graag loodbatterijen omdat ze enerzijds een hoge capaciteit hebben en anderzijds goedkoop. Bovendien heb je het hoge gewicht van de batterijen nodig, zodat prototypische scheepsmodellen de juiste waterstand hebben.

Maar ook liefhebbers van modellen met methanolverbrandingsmotoren gebruiken graag loodaccu's. Een als voeding voor de gloeibougie of als voeding voor de elektrische starter. Loodgelbatterijen hebben de voorkeur omdat deze batterijen lekvrij zijn en in elke positie kunnen worden gebruikt.

In sommige gevallen worden ook grote loodaccu's gebruikt om rij- of vliegaccu's snel op te laden in open velden waar geen stroomaansluiting beschikbaar is. 

Opladers modelbouw

In tegenstelling tot standaard ronde celladers die in elk huishouden te vinden zijn, kenmerken modelbouwladers zich door het feit dat ze meercellige accupacks kunnen opladen. Daarnaast zijn de laders zo ontworpen dat ze ook batterijen kunnen laden en ontladen met verschillende technologieën zoals NiCd, NiMH, LiPo, LiIon, LiFePO of lood.

Maar dat is niet alles. Veel modelbouwers gebruiken verwisselbare batterijen om hun model zonder lange laadpauzes te kunnen gebruiken. In dit geval is het handig als de oplader twee of meer accu's tegelijk kan opladen.

En zodat de accu's snel weer opgeladen kunnen worden, werken de laders soms met zeer hoge laadstromen. Hiervoor moeten de laadkabels en connectoren natuurlijk perfect op de accu's passen, anders kunnen contactfouten en beschadigingen zeer snel optreden.

Omdat modelbouwers hun laders evengoed thuis als onderweg gebruiken, hebben veel van de apparaten naast een 230 V-aansluiting ook een 12 V aansluiting.
Op deze manier kan de voertuigaccu onderweg als spanningsbron dienen. Aan de andere kant hebben sommige clubhuizen die het zonder 230 V stroomaansluiting moeten stellen krachtige 12 V zonnesystemen waarop ook de laders kunnen worden aangesloten. Opladers die alleen een 12 V-aansluiting hebben, bedient u gewoon thuis met krachtige 12 V-powerpacks.

Wat is FPV?

De afkorting FPV staat voor First Person View en betekent in deze context zoiets als het uitzicht vanuit de cockpit van het model. FPV maakt in principe mogelijk waar modelbouwers al jaren van dromen. U kunt nu precies zien hoe het zou zijn als u zelf met uw model zou kunnen vliegen of hoe het gevoel is als u zelf door de voorruit van uw modelauto kijkt.

Hiervoor zijn in het model kleine, lichte en krachtige camera's ingebouwd, die hun beeldsignalen via de radio naar een ontvanger sturen. De beelden zijn vervolgens te bekijken op een smartphone, tablet of monitor.
Als de modelpiloot zijn model dan alleen vanuit de cockpit wil besturen, is een beeldschermbril zeer effectief gebleken. Het vergt echter enige oefening om aan het onbekende perspectief te wennen. In de eerste plaats zijn copters of drones uitgerust met camera's, waarbij wettelijke bepalingen moeten worden nageleefd.

Wettelijke vereisten voor FPV-vliegen

Over het algemeen mogen drones of copters alleen in zicht worden gevlogen. Dit betekent dat de piloot bij de zender altijd zijn drone moet zien. Hierdoor mag hij niet te ver weg vliegen, omdat anders de houding niet duidelijk kan worden geïdentificeerd.
Het gebruik van een videobril is alleen toegestaan als de vluchten plaatsvinden tot een hoogte van 30 meter en het vliegtuig niet zwaarder is dan 0,25 kg of een andere persoon het constant in zicht observeert en de stuurman kan waarschuwen voor gevaren aandacht vragen. Dit geldt dan als handeling in het zicht van de chauffeur.

De beste klasse in FPV-vliegen

Inmiddels heeft FPV-vliegen zich ook gevestigd in de racewereld. Krachtige racecopters worden hier gebruikt om in een waanzinnig tempo door parkeergarages te vliegen of om tienduizenden bezoekers te trekken naar grote race-evenementen op epische locaties zoals de Drone Champions League (DCL).