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5 mar. 2009

Mas electrónica para nuestros Helis: Entendiendo los diferentes servos RC

Como habíamos conversado en otro artículo, los servos RC convierten los comandos electrónicos del receptor en movimientos físicos que se trasladan a los mandos de un aeromodelo (alerones, elevador, etc.) vale decir, un servo se conecta a un slot (canal) especifico de un receptor para mover una parte especifica de un artefacto RC, este movimiento es proporcional al movimiento que impongamos a los mandos (Sticks) del radio.



LO BÁSICO
Todos los servos RC tienen tres cables principales, uno es para proporcionar la corriente continua (DC), usualmente 4.8 voltios, el segundo cable es para la conexión a tierra y el tercero es el que lleva la señal del receptor, este último le dice al servo a traves de pulsos que es lo que debe hacer, normalmente según la marca estos cables variaran de color, pero siempre tendrán el mismo objetivo.Después de 1991 en acuerdo, la mayoría de casas fabricantes de servos hicieron posible la compatibilidad de conexión entre sus servos y receptores con algunas pequeñas observaciones como el conector, la polaridad y los colores de los cables, esto revoluciono la forma de programar nuestro aeromodelo ya que habían en el mercado servos para movimientos especiales que no necesariamente eran de la marca de nuestro receptor, hoy en día no solo tenemos la compatibilidad desarrollada sino hay algunas casas que venden sus servos con la opción de escoger el tipo de conector requerido.

Podemos entonces mezclar Futaba con receptores Airtronics, mezclar servos Hitec y JR con receptores Futaba, etc. El único inconveniente como se dijo es el cableado, tanto en los colores como en algunos casos también la polaridad, por lo que debemos de tener especial cuidado.

Para Radios Futaba, Hitec, y JR, las conexiones de la batería y de los servos tienen la polaridad y el pulso de señal iguales a pesar que los conectores son diferentes físicamente.. No se debe invertir la polaridad de un servo o sea el (+) y (-) ya que podríamos quemar el servo o el mismo receptor, hoy en día la mayoría de los servos traen la función de cambio automático de polaridad o shift polarity por lo que no tendrás problemas. Si eres bueno soldando cables pequeños tu mismo puedes cambiar la polaridad invirtiendo la conexión de los cables, sin embargo los nuevos radios ya traen la función de invertir la dirección del servo como parte de sus prestaciones.

A partir de 1997, Airtronics comenzó a vender servos con unos conectores opcionales tipo "Z" que igualan a los conectores JR o Hitec. Esto quiere decir que un servo Airtronics con un conector tipo "Z" no te permitirá invertir por error el (+) y el (-) cuando los uses con receptores Futaba, Hitec, o JR. Si por algún caso de todas maneras deseas invertir los cables, todos los conectores tienen un pin que al empujarlos saldrán de su slot para colocarlos en el otro.

Para servos Airtronics con conector que no es del tipo "Z", sigue el diagrama:
También puedes ser algo creativo, puedes comparte todo tipo de conectores para ponerlos en tus servos según la necesidad o cortar la lengüeta del conector de un servo Futaba para que le haga un receptor Hitec o Airtronics. Asimismo también puedes cortar los tres dientes pequeños en los conectores Airtronics para que quepan en cualquier receptor de otra marca.
Algunos servos Airtronics tienen cables de color blanco para la señal de pulso, así será fácil determinar cual de los negros es el (+). Siempre tener en cuenta que si conectas Airtronics a otra marca estarás invirtiendo (+) y el (-) pudiendo quemar el servo, el receptor o ambos.
Si eres de los olvidadizos como yo, te sugiero que para el caso de los servos que conviertas a Airtronics tengan en el cableado una cinta adhesiva de un color especifico para recordarte que ese servo está configurado para Airtronics.

Mucha gente se pregunta cuál es la diferencia entre servos análogos y servos digitales, bueno el motor de un servo análogo recibe la señal de un amplificador de pulso (dentro del servo) a un ratio de 30 veces por segundo, esta señal de pulso le dice al motor del servo cuanto, cuando y en qué dirección rotar. Como esto sucede solo a 30 veces por segundo, este será el tiempo máximo de reacción del servo. Los digitales reciben la señal de pulso con mayor rapidez a un ratio superior a los 30 veces por segundo permitiéndoles mayor reacción y mayor capacidad de permanencia en un sitio determinado. Esto se traduce en mejor centrado del servo y mayor potencia de sostenimiento. Y claro, no todo es gratis, como son más poderosos, también consumen mayor cantidad de energía de tus baterías, durando menos por carga.




Los servos normalmente vienen en tres tamaños básicos (micro, standard y giant o 1/4 scale) con el fin de que manejen el tipo de aeromodelo RC que estés usando. Existen también algunas variaciones en los tamaños básicos, algunos son más gordos, otros más delgados, otros más chatos etc. Los más comunes son los tres tamaños básicos antes explicados que ocupan el 95% de los servos en el mercado.

Velocidad y Ratios de Torque

Muy aparte de la parte física (tamaño), los servos se diferencian también por su velocidad y Torque. La velocidad esta medida por el tiempo que toma a un servo en rotar unos grados en un momento determinado. Estos grados se ha estandarizado para mayor facilidad en la medición a un valor de 60 grados, vale decir para todos los servos seria; Cuanto demora un servo en rotar 60 grados en un momento determinado. Tip: Menor numero, mas rápido.

Por ejemplo: Un servo a 0.12 sec/60° , significa que le tomara 0 .12 segundos en rotar su brazo 60 grados. Esto es el doble de un servo estándar que está en el rango de 0.24 sec/60° . El servo digital de cola de un Helicóptero RC puede llegar a tener una velocidad de 0.06 sec/60°.
El torque determina la cantidad máxima de fuerza que un servo puede otorgar en un momento determinado. Esto se mide en onzas por pulgada (oz-in) o en kilogramos por centímetro (kg-cm). Tip: Mas grande el numero, más fuerza tiene el servo. Un servo con la especificación de alto torque puede tener los valores de 200 oz-in.

Bueno y que exactamente significa por ejemplo un servo con 40 onzas por pulgada?
Si tienes un brazo de servo que fuera una pulgada de largo colocado en ese servo, sería capaz de producir 40 onzas de empuje o de jale al final del brazo. Si tienes un brazo con ½ pulgada de largo cuanto podría producir este servo de 40 onzas? Extacto 20 onzas de fuerza. Y que pasa con un brazo de largo de 2 pulgadas,,,,producirá 80 onzas de fuerza,,fácil no?

Es importante tener en cuenta que tanto la velocidad como la fuerza dependen del voltaje que estemos usando en nuestros packs de baterías, usualmente las baterías RC son de 4.8 voltios en 4 celdas y 6.0 voltios en 5 celdas por pack. Obviamente el de mayor voltaje nos dará mayor velocidad y mayores ratios de torque.

Normalmente en los Helicópteros RC utilizamos 4.8 voltios debido a las giros, estos no ha sido diseñados para funcionar con 6.0 voltios, sin embargo con un regulador de voltaje podríamos disminuir el voltaje que va hacia el giro o sistemas flybarless y darle a los servos los 6.0 voltios que necesitan para que den todo lo que pueden ofrecer.

Servos digitales vs. Servos análogos

Esta es una opinión muy personal de los autores del artículo, mucho depende de cuál es el uso que le demos a nuestros servos. Hasta hace algunos años los únicos servos disponibles en el mercado eran los servos análogos, pero ahora contamos con toda una gama de opciones que nos hacen pensar en varios usos, veremos entonces como funcionan y sacaremos nuestras propias conclusiones.

Primero debemos notar que no hay diferencia física o de componentes principales entre ambos. La carcasa del servo, el motor, los engranajes e inclusive el principio del potenciómetro es el mismo en ambos casos tanto en funcionamiento como en la operación.
La gran diferencia entre ambos está definida por como procesa el servo la señal pulso del receptor y como utiliza esta información para darle más poder al motor eléctrico interno.


Operación de servos análogos

Un servo análogo controla su velocidad dependiendo del envío de la señal de pulso del receptor en prendido o apagado. El voltaje siempre es constante (4.8v o6.0v) .
Esta es la manera en que se controla la velocidad de los servos o por lo menos en la mayoría de ellos, Por ejemplo, si tienen un ventilador en casa y controlas la velocidad de este a través de un pulsador rotatorio, el aumento de la velocidad del motor del ventilador no está sujeta a mas o menos voltaje, está sujeta al intercambio de los ciclos del voltaje conforme vallamos cambiando el pulsador.

De otra forma: El pulsador del ventilador cambia los ciclos del voltaje (220v) del motor en prendido y apagado muchas veces por Segundo, Mientras más largo sea el pulso, mas rápido andará el ventilador. Esta es la forma en trabajan los reguladores de velocidad (ESC) en aviones, botes y carros eléctricos.

Bueno volvamos a nuestro servo análogo, en descanso, quieto, nuestro servo análogo no recibe ningún pulso, está en silencio, tranquilo en la ultima posición que lo dejamos, pero si presionamos el cuerno o brazo del servo con el dedo forzándolo a cambiar de posición o le damos un pequeño comando desde el trasmisor, un pulso pequeño de voltaje fluirá para impedir que lo movamos con el dedo o para obedecer la orden desde el Radio.

Mientras más largo sea el movimiento del Stick o del potenciómetro, más largo será el pulso de prendido que fluirá por él con el fin de que el motor mueva el cuerno a la posición deseada.
Recuerdan cuando hablamos que el pulso procesado por el servo era 50 veces por segundo?, Esto quería decir que en un segundo hay 50 ventanas que corresponden a 20 milisegundos cada una (50x20 = 1000 ms = 1 segundo). Mientas más largo sea el pulso procesado en cada uno de estos 50 x 20milisegundos, el servo será más rápido y producirá mas torque.

He incluido esta información solo para aquellos que realmente les interesa saber que esta pasando en un servo, pero realmente no es necesario saberlo mientras entiendas que basta con un ligero movimiento del stick o por aplicar una pequeña fuerza externa al cuerno tratando de sacarlo de su posición de centrado o ponerlo en una posición determinada pero quieto, solo se le enviara un pulso de corta duración cada 20 milisegundos. Con movimientos del stick largos un pulso largo será enviado cada 20 milisegundos al motor del servo.

Como pueden imaginarse, un pequeño pulso cada 20 milisegundos no logrará que el motor se mueva tan raido como queramos o permitirá tiempo para la producción de suficiente torque. Este es el problema con los servos análogos, ellos no reaccionan rápido ni producen mayor torque cuando se les ordena pequeños movimientos o cuando elementos externos quieren sacarlos de su posición central. El área de la no reacción o muy poco torque en ligeros movimientos se denomina en ingles “Deadband”.

Muchos de los movimientos del Control RC, especialmente los de los helicópteros RC están hechos con pequeños toques del stick en segundos, así como también hay varias fuerzas externas que en segundos también tratan de sacar los servos de su posición y no nos olvidemos de los giros, ellos le envían a nuestros servos cientos de correcciones cada Segundo, con esta explicación ya te debes haber dado cuenta que la mayoría de Helicópteros RC que utilicen servos estándar estarán durante casi todo su vuelo en el rango del “Deadband” por cada segundo que le ordenemos algo.

Esto no es problema para un Piloto que le guste los vuelos lentos y espaciados, pero uno que se inicie en el entrenamiento en 3D y utilice Giros que sean rápidos o sistemas electrónicos como el flybarless y más aun pilotos avanzados en el 3D sería realmente imposible realizar todas las maniobras radicales si tuvieran servos estándar.

Funcionamiento de los servos Digitales

Como vimos anteriormente los servos digitales tienen las mismas orates que un servo análogo, hasta los tres cables de conexión son los mismos. La diferencia es en como las señales de pulso son enviadas al servo y como son procesadas.

Un micro procesador dentro del servo analiza y procesa la señal recibida del receptor, esta la convierte en pulso de voltaje de alta frecuencia y la envía al motor interno, en vez de 50 pulsos por segundo recibirá ahora 300 pulsos por segundo. Los pulsos será más cortos pero al haber mayor cantidad de pulsos en un segundo el motor andará mas rápido proveyendo un torque constante. Incidentalmente si alguna vez pensaste porque los servos digitales “Cantan” con una pequeña carga externa lo que realmente esta escuchando es el voltaje de alta frecuencia induciendo al motor.

El resultado es un servo con menor “Deadband”, con una respuesta mas rápida, velocidad en la aceleración y mejor poder de sujeción en una posición dada. Puedes hacer un test muy fácilmente enchufando un servo digital y un servo análogo en el mismo receptor, prueba la velocidad de cada uno, prueba aplicándoles un poco de carga, la diferencia será notoria y como siempre no todo es maravilla, los servos digitales consumen más energía que los análogos y son mas caros.

Si pues los servos digitales son ávidos de tener mucha hambre de energía, todos esos cientos de pulsos por segundo utilizan más poder de la batería que los análogos, hoy en día contamos en el mercado con baterías que duplican o triplican su capacidad de descarga comparado a años anteriores, inclusive para evitar un aumento de peso en el Heli, ya se están usando baterías de Lipo con regulador de voltaje que tienen una mayor capacidad de descarga a mayor amperaje requerido.

Bueno definitivamente los servos digitales son mucho mejores que los análogos aunque aun puedes volar tu Heli con análogos mientras aprendes lo básico, pero una vez que quieras aprender esas maniobras radicales no te quedara otra que cambiar y una vez que lo hagas nunca volverás atrás, No te olvides que los Giros hoy en día en especial los de bloqueo de cola necesitan un servo rápido para funcionar correctamente, es mas, cuando compras un Giro siempre están emparejados a un servo digital…. Giro + servo digital = no hay excepciones.!!!

Un último punto importante, es bueno saber que también podemos encontrar en el mercado servos análogos que son más rápidos con y mejores ratios de Torque que algunos servos digitales,,,asi que como recomendación siempre observar las ratios de un servo antes de comprar, no vaya ser que compremos un servo digital más lento que el análogo que queremos cambiar.

Recuerda que los servos análogos responden más lentamente y proveen poco Torque en movimientos cortos muy rápidos. La mayoría de las especificaciones de estos servos hablan de la velocidad y torque a full stick, pero como bien sabes a mostros nos interesa cuales son las especificaciones en movimientos cortos y rápidos por lo que es muy probable que el servo digital más lento que el análogo sea aun más eficiente en las reacciones.


Servos Coreless & Brushless

Muchos servos estándar de bajo costo (análogos o digitales) utilizan lo que se denomina “motor de tres polos”. Este motor es el mas común existente en el Mercado. Un paso mas allá de este es el motor de cinco polos, si te imaginas dos polos mas que el otro logrando hacer que el motor sea mas rápido en aceleración y con un aumento notable en el Torque.

Ya sabes ahora que mientras mas rápido sea el servo, mas torque podrá entregar, los motores eléctricos de los servos han hoy en día superado todas las expectativas teniendo ratios de velocidad y torque impresionantes.

Motores de servo Coreless

Un motor estándar de tres polos tiene un Núcleo de metal envuelto en cables y este conjunto a su vez está rodeado de magnetos, como pueden imaginar el peso añadido es tremendo para estos pequeños servos, además del voltaje que se necesita para hacer girar el Núcleo con todos sus cables y sobre peso es abrumador, haciendo inclusive difícil la desaceleración una vez que esta a toda velocidad.

En un diseño Coreless el pesado Núcleo de metal es eliminado usando un conjunto de cables envueltos entre sí que giran alrededor de magnetos, este diseño es más ligero dando como resultado un motor más rápido con una desaceleración casi instantánea, el resultado , un motor más suave, rápido, con mas torque.

Motores de servo Brushless

Lo más avanzando en la tecnología de esto tiempos para los servos son la utilización de motores de corriente continua DC sin escobillas o brushless DC motor,s. Tienen el mismo principio y ventajas usados en los Coreless y en los motores eléctricos de los aviones y helicópteros RC. Estos pequeños motores no tienen escobillas que inducen carga y desgaste, es como si el sistema flotara girando aun mas rápido.

Los motores Brushless son más eficientes, proveen más potencia, velocidad, aceleración, tiempo de respuesta, torque y operación suave.

Rodajes, engranajes y Resistencia al agua de los servos

Rodajes:

Te debes haber dado cuenta cuando compras servos que hay una lista muy grande de especificaciones si el servo que quieres llevarte tiene rodajes, normalmente son uno o dos, estos rodajes son utilizados para ayudar al eje principal en su rotación envés de usar los comunes cojinetes. Las ventajas son incomparables ya que proveen menor fricción y menor luz ayudando al servo en las vibraciones mecánicas, sin estos rodajes el deterioro y la vida útil del servo aumenta, haciendo los controles mas inexactos y afectando el performance de tu Heli.

Normalmente e inclusive los servos baratos tienen por lo menos un rodaje, este se encuentra situado en el eje principal que sale del servo, aquí es donde ocurrirá la mayor presión de carga. Pero en servos más costosos el diseño es con dos rodajes, proveyendo casi libre de fricción.

Engranajes de metal

Tener engranajes de metal en servos para Helicópteros RC pueden ser perjudiciales ya que aumentamos el peso y nos cuestan más, además y los más importante, tienen una alta resistencia y Torque que podrían romper las partes mas comunes de pastico de nuestros Helis.

Estos servos son útiles en Helis de mayor envergadura donde las cargas a los mandos son Fuertes y contantes. Un perfecto ejemplo de un servo que constantemente recibe cargas extremas es el servo del timón de un Vehículo offroad RC, normalmente son conocidos por comerse los servos en cada faena.

Por eso es mejor gastar un poco mas y comprar un servo de alto torque que sea digital, con engranajes de metal, con ejes de metal y con brazo de metal, este tipo de servo te funcionara por mucho tiempo y a la larga te ahorrara mucho dinero en reparaciones, el problema se presenta en el sobre peso y cuando realmente se rompen valga la redundancia, se rompe todo adentro.

Servos resistentes a agua y al polvo

Algunos servos son sellados para prevenir el ingreso del agua y el polvo. La carcasa tiene empaquetaduras y/o Orings en los ejes y impermeabilizados con silicona en el área donde salen los cables, estas son las especificaciones de un servo para un bote a RC o para tu Monster Truck cuando la corres sobre el lodo húmedo, pero en nuestro caso no creo que puedas volar tu Heli debajo del agua, en el lodo o en una tormenta de arena. Si tienes una de estas opciones seguro tendrás un servo o todos con serios problemas, no es broma, en mi caso yo solía volar en el desierto de Piura donde de vez en cuando se veía venir un remolino de polvo que envolvía mi Heli, los aterrizajes y despegues solían ser también sobre el mismo desierto, definitivamente había que revisar los servos y todo de vez en cuando.

El termino –“Resistente al agua/polvo- o - water resistant/dust proof” en los servos RC siempre están ligados en la mayoría a los modelos a Nitro. Si vez este término en tu servo “nitro goo” significa que ese servo está protegido contra todo y seguramente sellado internamente, esto es magnífico para los engranajes pero el tiempo crea algunos problemas en la parte electrónica por la falta de ventilación, - si pues no todo es maravilla!!!.

La batalla de los servos siempre está a la vanguardia y algunas casas lo tienen claro, una forma de mostrar sus capacidades es en la ejecución,,, Competencia de Robots, Hitec con su RoboNova I y futaba con su RBT 1 son un ejemplo.

Espero que esta información les haya sido de utilidad,,,
Gracias a:
http://www.rchelicopterfun.com
http://www.fatlion.com
Y al Team Rcontrol Peru Tv por este articulo.




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