Werkstuk Kor van Essen
Inleiding:
Voor veel mensen is de werking van afstandsbesturing een raadsel. Je duwt een stokje naar voren op een plastic kastje wat zender blijkt te heten en een modelletje gaat rijden, varen of zelfs vliegen. Ook voor ons was dat zo. Maar na ons te verdiepen in diverse folders en internetsites zijn we een heleboel te weten gekomen. We willen verder niet ingaan op bijvoorbeeld het aantal weerstandjes in zender en ontvanger en de werking van elk apart, maar vooral op de manier van informatieoverdracht. Van knuppel naar pulsgenerator, van pulsgenerator naar modulator, van zender naar ontvanger en van ontvanger naar motoren. Natuurlijk gaan we ook in op de toepassingsmogelijkheden met enige modellen uit eigen assortiment
Algemeen
Af en toe staat er wel wat in de krant: Veel groots in het klein. Een grote hal vol met schaalmodellen die staan te pronken, en de eigenaren laten zien hoe veel er kan werken op zijn of haar schip of auto. Dat dit kan bewegen en dat dit allemaal zo klein kan zijn, is te danken aan de kleine ontvangers en motoren in zo’n model. Met talloze proportionele schuifjes, knuppels, schakelaars en knopjes op de zender bestuurt hij of zij dan de functies op het model. Hier worden al een paar begrippen genoemd die menig mensen ook niet kan thuisbrengen. We hopen dat als we deze begrippen na het lezen van het werkstuk een stuk duidelijk zijn.
Kor van Essen,
Danitia
zender
Als eerste behandelen we deze tak van de overbrenging omdat dit de basis is voor alle andere
Functies bijgevoegd of vandaan gehaald worden. De naam radiografische zegt al dat er gewerkt word met radiogolven, ofwel elektromagnetische straling. Dat zijn golven in de lucht die op allerlei verschillen afstanden van elkaar worden uitgezonden. Met wisselstroom die heel snel wisselt wordt er een ijzeren kern ontzettend snel omgepoold. Iets makkelijker: als er een stroom loopt om een ijzeren kern word deze magnetisch. Als deze stroom nu steeds omgedraaid word dan veranderen de richting van de noord en zuidpool. Hetzelfde principe als in een transformator, maar dan ontzettend veel sneller. In de zender wordt dat gedaan met een kristaloscillator. Dat is een elektronische schakeling die met behulp van het kristal een wisselspanning opwekt. Hoe snel de polen veranderd worden hangt af van het kristal wat gebruikt wordt in de zender.
Een kristal met een centimeter ernaast
Dit kleine metalen pennetje kan verwisseld worden in de zender en de ontvanger. We nemen als voorbeeld kanaal 85. Kanaal 85 is het kanaalnummer wat internationaal gebruikt word om aan te geven dat je uitzend op 40.875 MHz (Megahertz). 40,875 MHz houd in dat er 40.875.000.000 golven per seconde de zender verlaten. Als we de hele schakeling van de zender in woorden op schrijven ziet dat er zo uit:
1: De accu voorziet tijdens het hele proces de zender van elekticiteit
2: De stuurknuppel word verschoven waardoor de pulsgenerator een verandering doorkrijgt in de afstand van de pulsen.
3: De kristaloscillator was ondertussen al druk bezig met het opwekken van een wisselstroom met behulp van het kristal.
4: De modulator verandert in het ritme van de pulsgenerator de amplitude van de wisselstroom. Ofwel hij zet de wisselstroom harder en zachter.
5: De versterker versterkt het signaal waardoor er een minder lange antenne nodig is, dit heeft wel tot gevolg dat het zendbereik minder is geworden.
6: In de antenne word de wisselspanning omgezet in elektromagnetische straling wat met de snelheid van het licht in alle richtingen word verspreid.
Omdat dit een relatief simpele beschrijving is van wat er gebeurt in de zender gaan we daar nog verder op in. Daarbij slaan we de accu over omdat die alleen maar stroom levert en verder niets doet.
Pulsgenerator
Als een stuurknuppel wordt verschoven, of een schakelaar wordt omgezet, dan gaat dat eerst door de pulsgenerator. De pulsgenerator is een elektronische schakeling die met een frequentie van ongeveer 40 pulsen per seconde de veranderingen van de stuurknuppels en schakelaars opneemt. De afstanden tussen de pulsen geeft aan wat de stand van de verschillende knuppels of schakelaars zijn. Omdat er meer dan een knuppel of schakelaar op de zender zit moeten er dus meer gegevens verwerkt worden door de pulsgenerator. De ruimte tussen de eerste en tweede puls hoort bij het eerste kanaal, de ruimte tussen de tweede en derde hoort bij het tweede kanaal enzovoorts. Zo worden dus eerst alle gegevens van de stand van stuurknuppels en schakelaars door de pulsgenerator in pulsen opgeslagen. Deze pulsen worden doorgestuurd naar de modulator. Zie inzet op volgende pagina.
Kristaloscillator
De kristaloscillator is zoals gezegd het apparaat dat in samenwerking met het kristal de daadwerkelijke wisselspanning opwekt die word uitgezonden. Er wordt steeds bijgezegd dat het opwekken van de wisselspanning in samen werking met het kristal gebeurd omdat die verantwoordelijk is voor het precieze aantal golven per seconde die worden uitgezonden. Als het kristal wordt verwisseld dan veranderd ook het kanaal waarop uitgezonden word. Zo kunnen er meerdere zender tegelijk uitzenden zonder elkaar te storen. Voorwaarde is wel dat het aantal megahertz gelijk blijft. Als er een 35 megahertz kristal in een 40 megahertz zender wordt geplaatst dan bestaat de kans dat de kristaloscillator word opgeblazen. Maar als er een goed kristal in zit stuurt de kristaloscillator de opgewekte wisselspanning door naar de modulator.
De Modulator
De modulator verwerkt de gegevens die hij doorkrijgt van de pulsgenerator in de opgewekte wisselspanning uit de kristaloscillator. Dat is het enige wat over de modulator zelf is te vertellen, maar de manier waarop de informatie in de wisselspanning wordt verwerkt kan op twee manieren namelijk de FM en de AM. Dit zijn zulke verschillende manieren van uitzenden dat we daar twee aparte tussenkopjes van gemaakt hebben. Maar eerst even dit…
De praktijk
We hebben nu eigenlijk alle delen van de zender gehad, daarom wordt nu de zender nog even “uitgekleed” om te laten zien wat de modulator is, waar het kristal zit en nog veel meer. Omdat een minder uitgebreide zender makkelijker te overzien is, gebruiken we die als voorbeeld.
FM
FM staat voor frequentie modulatie. Dat wil zeggen dat de gegevens van de pulsgenerator worden verwerkt in de wisselspanning door de frequentie aan te passen. Zo komen de golven dus dichter bij elkaar of worden juist verder van elkaar uitgezonden. De modulator zet de pieken en dalen van de wisselspanning dus dichter bij elkaar en verder van elkaar vandaan op het ritme wat die doorkrijgt van de pulsgenerator. FM heeft de eigenschap dat het meer informatie kan bevatten.
Manier van uitzenden FM
AM
AM staat voor amplitude modulatie. Dat betekent dat de amplitude ofwel de kracht van de wisselspanning wordt beïnvloed om de gegevens met de wisselspanning mee uit te zenden. De kristaloscillator zet het signaal hard en zacht op het ritme wat die doorkrijgt van de pulsgenerator. Zie inzet.
Versterker
De ideale antennelengte is bij frequenties zoals we die gebruiken in de modelbouw met frequenties van rond de 40.000.000 golven per seconde is ongeveer 8 meter. Omdat dit een onhanteerbare lengte is om op een zender te zetten en mee rond te lopen, wordt de wisselspanning die ondertussen alle gegevens van de knuppels en schakelaars bevat flink opgevoerd. Zo word de amplitude flink hoger waardoor een minder lange antenne nodig hebben, het nadeel daarvan is echter wel dat het bereik minder word. De gemiddelde reikwijdte van een professionele zender is 300 meter. Ruim genoeg dus om het model binnen het zicht te besturen.
De antenne
De antenne is een relatief simpele metalen uitschuifbare buis, maar wel ontzettend belangrijk. Zonder dit onderdeel is de reikwijdte van het geheel maar heel beperkt. En als de antenne niet op de zender is geplaatst bestaat de kans dat de modulator opgeblazen word, omdat deze zijn energie nergens kwijt kan. De energie wordt dan omgezet in warmt en na verloop van tijd brand het geheel door. Als alles goed zit en de wisselspanning word de antenne ingestuurd word deze omgezet in elektromagnetische straling, die met de snelheid van het licht uitgezonden word.
Een vraag die in ons op kwam.
Waarom zend de pulsgenerator niet direct de pulsen door naar de versterker en dan naar de antenne?
Omdat de pulsgenerator de standen van knuppels en schakelaars in een relatief lage frequentie verwerkt (40hertz is 40 pulsen per seconde), zou er een flinke hoeveelheid energie nodig zijn om de pulsen zo te versterken dat de antenne ze daadwerkelijk uitzendt. Er zou een flinke dieselgenerator naast de zender moeten staan en een kleine bijkomstigheid, de antenne zou ongeveer 6000 km lang moeten zijn. Als die dan ook nog ingekort word tot een hanteerbare lengte voor modelbouwers blijft er geen zendbereik meer over. Met een hoge frequentie wordt dit probleem opgelost en kan de zender werken op de gebruikelijke 9.6V.
Het zenden zelf
Uiteindelijk gaat de wisselspanning door de antenne en is de wisselspanning omgezet in elektromagnetische straling. Maar omdat er meer dingen zijn die met dezelfde straling werken, is er een hele regeling wie op welke golflengte mag uitzenden. Op te beginnen radio werkt volgens hetzelfde principe. Het enige verschil is dat de radio op een hogere frequentie uitzend. Vaak wordt geroepen 101.2 FM. Dan kan daaruit opgemaakt worden dat dat radiostation uitzendt op 101.2 megahertz, 101.200.000 golven per seconde. De FM band van de radio loopt in Nederland van 87.5 mHz tot 108mHz. AM 675 wordt ook vaak geroepen. Alleen op AM band gaat het van de 522 kHz tot 1611 kHz. Deze werken dus met kHz. Dat betekent dat ze minder golven per seconde uitzenden, zodat ze minder informatie door kunnen sturen per seconde. Het geluid is daarom op de AM band slechter dan de FM band. Ook in de modelbouw zelf zijn de frequenties verdeeld voor verschillende typen modellen. Even een rijtje:
522 tot 1611 kHz Radio
27 tot 27.9 mHz modelschepen en modelauto’s
35 tot 35.9 mHz modelvliegtuigen
40 tot 40.9 mHz Alle soorten modellen
87.5 tot 108 mHz Radio
vanaf 10 miljard Hz televisie
Natuurlijk zijn er nog veel meer frequenties voor militaire en commerciële doeleinden zoals GSM’s maar die zijn deels geheim en deels moeilijk te vinden. Vanaf 1 biljoen golven per seconde kunnen er ook heel andere dingen met de golven gedaan worden. Zoals radar voor schepen. Er word natuurlijk ook niet uitgezonden op die golflengte voor televisie of radio om storing te voorkomen. Niet te vergeten is licht ook een vorm van elektromagnetische straling, dat begint ongeveer bij 100 biljoen golven per seconde.
Ontvanger.
De ontvanger is het apparaat wat de uitgezonden golven op moet vangen en moet zorgen dat elke stuurmotor de goede bevelen doorkrijgt. Maar de antenne van de ontvanger kan de selectie van golven niet meteen maken. Want er zijn meer golven in de lucht dan alleen de golven die de ontvanger zelf nodig heeft. Natuurlijk door andere zenders maak ook zoals genoemd de GSM’s en radio. Omdat de antenne deze selectie niet kan maken, neemt deze alle golven op die die doorkrijgt. Daar is een andere truc op bedacht.
Een twee kanaals ontvanger met antenne en kristal
De filters.
Filters in de ontvanger scheiden de golven in de ether van elkaar zodat er verder gewerkt kan worden met de benodigde informatie die uitgezonden is door de zender. In de ontvanger zit net zoals in de zender een kristal wat een wisselspanning opwekt. Deze wisselspanning gaat naar de filters die het aantal trillingen per seconde “telt”. Alleen de radiogolven die opgevangen zijn en even lang zijn als de door het kristal opgewekte wisselspanning gaan door de ontvanger in. Zonder filters heeft een ontvanger geen nut, omdat hij alle signalen opvangt.
Herkennen van de signalen
In de ontvanger zit ook een soort omgekeerde modulator. Deze herkent de signalen, bij AM de harde en zachte delen van het signaal en bij FM de ruimte tussen de signalen. Uit deze signalen kan opgemaakt worden wat de standen van de knuppels op de zender zijn. Als de ontvanger de signalen herkent heeft worden deze omgezet in signalen die de stuurmotoren en snelheidsregelaars herkennen. Dat is een signaal wat weer een lagere frequentie heeft dan de frequentie die is ontvangen door de ontvanger. Net zoals de pulsgenerator zit deze frequentie in de buurt van 40 hertz (40 pulsen per seconde). De delen die de signalen herkennen, omzetten en naar de stuurmotoren en snelheidsregelaars zenden, zitten allemaal bij elkaar ingebouwd in de ontvanger, waardoor het een gezamenlijke naam heeft. Meestal worden deze delen mixers genoemd. We maken voor de duidelijkheid de hierboven afgebeelde ontvanger ook nog even open.
BEC
Natuurlijk heeft een ontvanger ook stroom nodig. Hiervoor kan een ontvangeraccu gebruikt worden, maar er kan ook gewerkt worden met een BEC ontvanger. BEC staat voor Battery Eliminator Circuitry of in het Nederlands: batterij overbodig systeem. Met deze schakeling is het mogelijk om via een snelheidsregelaar van een motor in het model de ontvanger ook stroom te geven. Een schema voor de duidelijkheid.
Een snelheidsregelaar heeft een aparte accu nodig om de bijbehorende motor stroom te leveren. Als de snelheidsregelaar ook een BEC functie heeft, word de stroom die door hem heen loopt terug gebracht tot 4,8 V die de ontvanger nodig heeft. Die 4,8V gaat naar de ontvanger, die nu dus ook stroom heeft. De ontvanger levert wel de stroom voor de servo(s) die gebruikt worden in het model. (servo’s zie volgende bladzijde) Servo’s hebben maar 4,8V nodig. Om ook nog een echt beeld te krijgen van het geheel staat hieronder een foto van dezelfde schakeling, maar met de echte componenten.
Servo’s
Een servo is een heel klein apparaatje wat is de meeste modellen onmisbaar is. Hij wordt gebruikt om dingen als een roer in een boot, rolroeren op een vliegtuig en de stand van de rotorbladen op een helikopter te bepalen. Allemaal dingen die niet alsmaar door kunnen gaan. Als een roer van een boot te ver word doorgeduwd, komt het op een gegeven moment klem te zitten en is eer een kans van afbreken of beschadiging van de aandrijfmotor. Daar is wat op bedacht in de vorm van de servo.
Een standaard maat servo
Een servo is een kastje wat een printplaat, motor, tandwieltjes en een potmeter bevat. Met deze vier verschillende soorten onderdelen en een huis wat alles op hun plek houd kan een servo werken. We gaan iets dieper in op de werking en proberen deze op een zo simpel mogelijke manier uit te leggen. Als eerste de daadwerkelijke inwendige van een servo.
Potmeter: Traploos regelbare weerstand
Printplaat: Een kleine snelheidsregelaar die ook pulsen ontvangt en maakt
Tandwielen: Zorgen voor de overbrenging van motor naar de draaikop van de servo
Motor: Drijft de tandwielen aan
Via de ontvanger krijgt de servo de gegevens door van de zender. Tegelijk met dat die signalen binnenkomen, wekt de servo zelf ook signalen op. Die signalen zijn precies hetzelfde als de signalen die binnen komen van de ontvanger als de knuppel of schakelaar op de zender neutraal staat. Als de knuppel of schakelaar op de zender die bij de servo hoort neutraal staat zijn de signalen die de servo binnenkrijgt en de signalen die hij zelf opwekt gelijk. Bij gelijke signalen gebeurt er niks met de motor. Als de knuppel op de zender bewogen word krijgt de servo een signaal door met langere of juist kortere tussenruimte. De printplaat is zo gemaakt dat bij een verschil in signaal van het binnenkomende en zelf aangemaakte signaal de motor gaat draaien. De motor is verbonden met tandwielen die de servokop laten draaien. Maar aan die tandwielen is ook de potmeter vastgezet. Als de tandwielen gaan draaien word dus ook de potmeter versteld. Het signaal wat de servo zelf opwekt gaat meteen door naar de potmeter en dan weer terug naar de printplaat. Als de potmeter word bewogen word ook het zelf opgewekte signaal bijgesteld en worden de ruimten tussen de pulsen langer op korter. Doordat de motor gaat draaien bij een signaal met langere tussenruimte word de potmeter bewogen. Doordat die beweegt krijgt het door de servo opgewekte signaal meer weerstand waardoor de ruimte tussen de pulsen ook langer word. Dit gaat net zolang door tot de signalen gelijk zijn en er geen verschil meer is tussenruimte van signalen. Dan staat de motor weer stil. Een heel ingewikkeld verhaal wat we hier hopen te verduidelijken met een paar tekeningen.
Schematische inhoud van een servo
Doordat de printplaat een kleine snelheidsregelaar bevat om de motor mee aan te drijven, kan deze ook op andere manieren worden gebruikt. Als de servo uit elkaar word gehaald en de potmeter niet meedraait bij het draaien van de motor is het een snelheidsregelaar voor modellen geworden. De behuizing van het geheel is niet meer nodig en de tandwielen kunnen weggegooid worden. De kleine motoren die in de servo zitten kunnen voor kleine schepen of auto’s gebruikt worden om deze aan te drijven. Deze bijvoorbeeld.
De motoren zijn zo klein dat ze alleen gebruikt kunnen worden in kleine schepen of auto’s. Klein is mijn Smit Rotterdam in ieder geval wel en varen doet die dan ook uitstekend. Servo’s Servo’s kunnen ook als schakelaar gebruikt worden. Dit kan gemakkelijk door één twee of zelfs drie schakelaars op de servo te lijmen en dan met een knuppel of schakelaar op de zender de servo zo te laten draaien dat die er een indrukt. Zo kan bijvoorbeeld verlichting aan en uit gezet worden zonder dat daar een dure chip voor gekocht hoeft te worden. Nu hebben we de meeste functies van de servo gehad en ook een uitleg van zijn werking. We behandelen nog een component in de wereld van afstandsbesturing.
Snelheidsregelaar
Onmisbaar om motoren aan te drijven is de snelheidsregelaar. Bij schepen, vliegtuigen en auto’s moeten motoren zo fijn mogelijk geregeld kunnen worden om ook rustig te kunnen varen, vliegen of rijden. Er zijn twee verschillende soorten regelaars. Namelijk…
De elektronische regelaars
De regelaar meet de ruimte tussen de pulsen op en weet bij elke lengte de hoeveelheid stroom die naar de motor doorgelaten moet worden. Het is dus eigenlijk een regelbare weerstand maar zonder draaiende delen. Vaak bevat dit type regelaar een koellichaam en een aparte aan/uit schakelaar. Omdat in het geval van een aanwezige BEC (Zie blz……) in de regelaar en in de ontvanger alle stroom in het model via de regelaar gaat.
Mechanische regelaar
De goedkopere tegenhanger van de elektronische regelaar is er ook nog de mechanische regelaar. Deze is een stuk goedkoper, maar heeft wel een paar nadelen. Het principe van de mechanische regelaar is dat een servo de regelaar beweegt op commando van de ontvanger. Als de servo beweegt word het contact op de regelaar ook bewogen. Dit contact staat via een weerstand in verbinding met de motor. De meeste mechanische regelaars kennen vijf standen, dat zijn drie stappen vooruit, een achteruit en een neutraal. Als het contact zo word verschoven door de servo dat het in aanraking komt met stand één van vooruit gaat de stroom door de gehele weerstand. Daardoor word de stroom zo afgezwakt dat er maar weinig stroom doorkomt tot de motor en er word rustig gevaren of gereden (vliegtuigen gebruiken dit type regelaar niet). Als de tweede stand word gebruikt gaat de stroom door de halve weerstand, waardoor er meer maar nog steeds niet alle stroom doorkomt tot de motor. Stand drie gaat direct door naar de motor en alle spanning word gebruikt. De nadelen mogen duidelijk zijn. De snelheid kan niet traploos geregeld worden maar belangrijker is het stroom verlies. Omdat er met een weerstand gewerkt word gaat ook op de eerste stand van de regelaar alle stroom spanning verloren. Als die stand veel gebruikt word, is de accu dus even snel leeg als dat er de hele tijd op volle kracht word gevaren of gereden. Voordeel is wel weer dat een mechanische regelaar veel goedkoper is dan een elektronische.
Toepassingen van radiografische afstandsbesturing in modellen
We hebben nu al aardig wat technische praat gehad en het is tijd voor de toepassingen. De vrij simpele Smit Rotterdam hebben we gehad, maar grotere modellen met vooral meer functies zijn er genoeg. Deze bijvoorbeeld.
Dit is een model van de zeesleper Smit Enterprise. Dit is werkelijk een van de mooiste modellen wat ook ontzettend veel functies heeft. Even uit m’n hoofd de functies van dit model van 1.65 meter.
- Linker en rechter schroef
- Roeren
- Twee draaiende radars
- Draaiend radar scherm in stuurhut
- Rook uit de pijpen
- Werkende kraan om reddingsboot af te zetten
- Draaiend zoeklicht
- Alle lampen branden
- Werkend anker
- Werkende bluskanons
- Werkende boegschroef
- Werkende sleeplieren
Dit schip is zo sterk dat het een roeiboot met vier mensen erin met gemak kan slepen. Er is trouwens wel een slordige 15 jaar aan gewerkt. (eigenaar: Jan Hofman Biddinghuizen)
Een ander schip, de Kormoran.
Dit is een model van een boeienlegger om vaargeulen te voorzien van boeien. Daar heeft het ook een kraan voor nodig die werkend gemaakt is.
Functies:
- Boegschroef
- Schroef
- Roer
- Verlichting
- volledig werkende kraan
We denken dat dit wel genoeg is om te laten zien dat er ontzettend veel mogelijk is met de elektronica die beschikbaar is voor deze tak van modelbouw.
