Selbstbau Fernsteuerung - HF-Sendemodul

[Christian S. (chrischross)]

Hallo,

ich habe für mein RC-Flugmodell meine alte Fernbedienung umgebaut bzw. 
entkernt und bis auf das Sendemodul komplett auf Basis von zwei Arduino 
Nanos neu aufgebaut. Dazu habe ich sie mit zusätzlichen Potis und 
Schaltern erweitert, um die einzelnen Ruder zu trimmen, Steuerkennlinien 
zu verschieben und miteinander zu mischen. Die gesamte Steuerlogik habe 
ich auf einem Arduino Nano programmiert. Dieser liest permanent alle 
Joysticks, Potis und Schalter ein, verrechnet sie entsprechend der 
Konfiguration miteinander und erzeugt das PPM-Signal am Ausgang, der mit 
dem HF-Sendemodul verbunden ist. Der zweite Arduinos ist ausschließlich 
zur Ansteuerung der Displays vorgesehen. Beide kommunizieren 
unidirektional über die serielle Schnittstelle miteinander, sodass der 
erste Arduino nie auf den zweiten warten muss und somit von diesem der 
Sicherheit halber vollständig unabhängig ist. Mit den angehängten 
Bildern könnt ihr euch ein besseres Bild machen:
* Fernsteuerung__aussen_.jpg
* Fernsteuerung__innen_.jpg
* Hautplatine.png
Die Arduinos werden separat über eine Powerbank versorgt, die ich von 
außen an die Fernbedienung hänge, um die Spannungsversorgung des 
Sendemoduls nicht zu beeinflussen (kann man sicher geschickter lösen für 
die Zukunft). Die Software ist nach diversen Iterationen mittlerweile 
sehr stabil und ausgereift. Das PPM-Signal wird sauber erzeugt und ist 
zuverlässig. Ich bin das ganze Jahr über mit der Funke geflogen.

Mein Problem allerdings ist das Sendemodul und deren Reichweite. Die 
Graupner D14 ist ursprünglich mit Amplitudenmodulation ausgerüstet 
gewesen, also schon sehr alt (stammt aus den 80ern). Bei einem 
Reichweitentest mit dem Sendemodul bin ich auf keine 500m gekommen, also 
definitiv zu wenig für einen sicheren Betrieb des Flugmodells. 
(Allerdings wären auch vor 30 Jahren 500m Reichweite zu wenig gewesen. 
Ich bin damals mit einem kleineren Flugzeug geflogen, das mir auch recht 
häufig abgestürzt ist. Vielleicht ist es mir deswegen einfach nicht 
aufgefallen oder kann sich die Reichweite über die Zeit aufgrund von 
Bauteilalterungseffekten ändern?) Deswegen habe ich das Sendemodul durch 
ein FM-Modul getauscht, das auch auf dem Foto der Innenansicht zu sehen 
ist und nicht mit dem Foto vom Schaltplan des HF-Moduls übereinstimmt.

Soweit so gut, sorry für die lange Einleitung, aber nun zu meiner Frage: 
Kann man auf einfache Art und Weise die Reichweite des ursprünglichen 
AM-Moduls erhöhen? Ich habe dazu das alte AM-HF-Modul re-engineert, 
soweit ich es hinbekommen habe. Das Layout habe ich angehängt. Einige 
Teile sind mir klar (links: Pegelumsetzung von 10V auf 6V, oben links: 
Oszillater), andere nicht.
* HF-Modul.png

Kann jemand die Module in der Mitte und rechts erklären? Was ist das 
z.B. für ein quaderförmiges Bauteil in der Mitte (TW2 ?Transformator?, 
siehe Foto) und welche Funktion hat es? Rechts hätte ich das Sendeteil 
erwartet mit einer Basisschaltung, aber dann müssten sowohl Eingang als 
auch Ausgang die Basis als Bezugspunkt haben im Sinne eines Vierpols... 
Wie bestimmt man die Werte für die Spulen und Kondensatoren im 
Sendemodul (soviel ich weiß, ist das sehr aufwändig)?

Viele, viele Fragen... Auch wenn ich in Zukunft die Anlage sicherlich 
auf 2,4GHz umrüsten werde, würde ich dennoch gerne die Funktionsweise 
des Moduls verstehen.

Vielen Dank schon mal vorab!
Christian

[tim (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Kann man auf einfache Art und Weise die Reichweite des ursprünglichen
> AM-Moduls erhöhen?

Die einfachste Möglichkeit wäre wahrscheinlich eine bessere Antenne. 
Kommt aber auf die Frequenz an. Bei 2,4MHz ist eine Dual-Quad-Antenne 
schön handlich, bei 500MHz ist die gleiche Antennenart eher ein 
Monsterteil.

[Christian S. (chrischross)]

An der Antenne am Flugzeug habe ich auch relativ viel "herumgeschraubt". 
Am Ende habe ich sie auf dem kürzesten Weg nach oben aus dem Rumpf 
geführt, dann zur Oberkante des Seitenleitwerks abgespannt und von dort 
aus nochmal ca. 20cm freistehend senkrecht nach oben geführt. Der Knick 
verhindert, dass nie eine Ausrichtung zwischen Senderantenne und 
Empfangsantenne vollständig parallel hergestellt werden kann 
(Sendeantenne und Empfangsantenne zeigen punktförmig aufeinander zu, 
minimale Empfangsfläche).

Ich habe auch mit der Länge experimentiert. Hier bin ich etwas 
irritiert:
* Zum einen gibt es die Meinung, dass die Länge der Empfangsantenne 
entscheidend ist und nicht geändert werden darf (Resonanzlänge 
lambda/4).
* Zum anderen habe ich gelesen, dass die Länge eher weniger entscheidend 
ist, da die Antenne lose angekoppelt ist.

Allerdings wundert es mich, dass selbst Graupner schreibt, dass man die 
Antennenlänge des Empfängers nicht ändern sollte. Tatsächlich habe ich 
aber sehr lange Empfangsantennen ausprobiert (>2m) und es hat sich 
gezeigt: je länger die Antenne, desto besser war der Empfang (Test in 
der Wohnung mit komplett eingezogener Sendeantenne, also sehr schwierige 
Umgebung und viele Reflexionen. Mit der längsten Antenne konnte ich mich 
am weitesten in der Wohnung bewegen, ohne dass die Servos anfingen zu 
zucken).

Die Länge der Sendenantenne ist fix, ca. 1.2m. Der Sender sendet auf 
35MHz. Die 2.4GHz sind nur angedacht für die Zukunft, aber noch nicht in 
Verwendung.

[Christian S. (chrischross)]

Sorry, vergessen in der Beschreibung anzugeben.
Sendefrequenz des HF-Moduls: 35MHz

[tim (Gast)]

Ich glaube, dann ist es fast besser, erst auf 2,4GHz umzusteigen und 
dann die Antenne zu optimieren.
http://me.docx.org/docs/wlan/Antennenbau/webseiten/quad/13cmdquad.html
(damit kann man durch den Reflektor auch richtmäßig senden)

Bei 35MHz kann man eine resonante und handliche Antenne fast vergessen.

Wenn ich es richtig verstehe, wird nur in eine Richtung gesendet, 
nämlich vom Handsender zum Flugzeug (aber nicht umgekehrt).


Hast du den Schaltplan vom Empfänger? Möglicherweise könnte man da noch 
etwas optimieren.

[Christian S. (chrischross)]

Einen Schaltplan habe ich leider nicht. Ich habe den Empfänger aber mal 
aufgeschraubt und das Innere fotografiert, auch wenn es vermutlich nicht 
viel weiter hilft. Der Vollständigkeit halber habe ich die Unterseite 
gespiegelt, sodass man sie mit der Oberseite übereinander legen könnte.

Gesendet wird nur in eine Richtung von der Fernsteuerung zum Flieger, 
kein Rückkanal.

[Empfänger (Gast)]

Auf dem Empfänger besteht 40MHz Band. Ist das Innenleben sicher ein 
35MHz Empfänger?

[Christian S. (chrischross)]

Ja, sorry für die Verwirrung. Das habe ich nicht klar geschrieben:
Ursprüngliche Konfiguration: 40MHz Amplitudenmodulation - > 
Reichweitenprobleme und Kern meines beschriebenen Problems.
Deswegen habe ich mir bei Ebay ein altes 35MHz Modul mit 
Frequenzmodulation und passendem Empfänger (nicht der abgebildete) 
geholt. Mit dieser Konfiguration bin ich geflogen und funktionierte 
stabil.
Meine Fragen beziehen sich auf die ursprüngliche Konfiguration mit AM 
40Mhz.

[Marcus (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Soweit so gut, sorry für die lange Einleitung, aber nun zu meiner Frage:
> Kann man auf einfache Art und Weise die Reichweite des ursprünglichen
> AM-Moduls erhöhen?

Ja, klar. Ist ja klassische Rundfunktechnik die hier greift.

Ich habe dazu das alte AM-HF-Modul re-engineert,
> soweit ich es hinbekommen habe. Das Layout habe ich angehängt. Einige
> Teile sind mir klar (links: Pegelumsetzung von 10V auf 6V, oben links:
> Oszillater), andere nicht.
> * HF-Modul.png
>
> Kann jemand die Module in der Mitte und rechts erklären?

Meinst Du die Filterbecher mit den versiegelten Abgleichkernen?

Ansonsten wirst Du hier sicher mehr Antworten finden als im Forum.

Günter Miel: Elektronische Modellfernsteuerung
https://rclibrary.co.uk/files_titles/1773/Elektronische_Modellfernsteuerung_GunterMiel.pdf

Gruß

[B e r n d W. (smiley46)]

T1, T2 und T3 auf dem Sendemodul schalten die Stromversorgung für den 
Oszillator ein und aus. Um störende Seitenbänder zu vermeiden, werden 
Anstieg und Abfall dieser Impulsflanken verlangsamt. Die Hüllkurve der 
HF bekommt dadurch einen trapezförmigen Verlauf.

Grundwellenquarze werden nur bis ca. 25MHz verwendet. Darüber nimmt man 
Oberwellenquarze. Beim Bauteil ?Transformator? handelt es sich um ein 
Bandfilter, man könnte es auch Resonanzübertrager nennen. Es sollte auf 
40MHz abgeglichen sein. Es verhindert unter anderem, daß der Quarz auf 
der Grundwelle (~13,3MHz) schwingt und zwingt ihn auf die Oberwelle.

Die Sekundärwicklung des Resonanzübertragers dient der Anpassung an die 
Sendestufe (2SC1973). 
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/2/S/C/1/2SC1973.shtml
Die Sendeleistung wird vermutlich weniger als 300mW betragen. Dies 
erklärt zum Teil die geringe Reichweite.

Eine Lambda/4 Antenne müßte bei 40 MHz ca. 180cm lang sein. Zu lang für 
Flugmodelle. Eine Litze mit 60-80cm Länge verhält sich Kapazitiv. Diese 
Kapazität wird Teil des Eingangsschwingkreises. Dieser muß auf die 
Antenne abgestimmt werden. Nachträgliche Veränderungen verschlechtern 
die Reichweite. Du kannst die Antenne 20-30cm länger machen, mußt dann 
aber den Schwingkreis neu abstimmen. Aber Vorsicht falls es sich um 
einen Pulverkern handelt, diese zerbrechen leicht. Sowas gleicht man 
einmal ab und fixiert den Kern mit Nagellack oder Bienenwachs gegen 
Verdrehen.

[Christian S. (chrischross)]

Hallo Marcus,

vielen Dank für das PDF! Passt genau auf meine Fragen, schaue ich mir 
an. Die zweite Frage hat Bernd beantwortet.

Hallo Bernd,

vielen Dank für detailierten Infos. Das Bild lichtet sich ;-)
> Um störende Seitenbänder zu vermeiden, werden
> Anstieg und Abfall dieser Impulsflanken verlangsamt. Die Hüllkurve der
> HF bekommt dadurch einen trapezförmigen Verlauf.
In der ursprünglichen Schaltung ist mir aufgefallen, dass das generierte 
PPM-Signal, das an das HF-Modul geht, schon ein bisschen PT1-gefiltert 
ist. Das hatte ich aber eher als negativ eingestuft. In meinem Signal, 
das aus dem Arduino kommt, habe ich hingegen recht harte Flanken mit 
leichten Überschwingern. Könnte das ein Grund sein, dass dadurch 
Störfrequenzanteile noch enthalten sind und nicht vollständig 
unterdrückt werden? Würde dann ein zwischengeschalteter Tiefpass mit 
T=15..25µs Sinn machen (ein PPM-Puls ist minimal 1ms breit, wären somit 
ca 5T=75..125µs Anstiegs- bzw. Abstiegszeit, also ~1/10 der Pulsbreite)?

> Eine Lambda/4 Antenne müßte bei 40 MHz ca. 180cm lang sein. Zu lang für
> Flugmodelle. Eine Litze mit 60-80cm Länge verhält sich Kapazitiv.
1,8m ist definitiv zu lang, würde aber erklären, dass ich bei den Tests 
in der Wohnung die besten Ergebnisse bei einer ca. 2m langen Litze 
hatte. Das bedeutet dann aber, wenn ich es richtig verstehe, dass 
außerhalb der Resonanzlänge lambda/4, der Schwingkreis an die 
Antennenlänge direkt angepasst ist und eine andere Länge eher schlecht 
ist, solange sie nicht bei lambda/4 oder einem Vielfachen davon liegt?

[B e r n d W. (smiley46)]

> dass außerhalb der Resonanzlänge lambda/4, der Schwingkreis
> an die Antennenlänge direkt angepasst ist

Nur in Resonanz verhält sich die Antenne ohmisch. Ist sie kürzer, wird 
sie kapazitiv und verstimmt den Schwingkreis nach unten. Eine etwas 
längere Antenne, also z.B. 1 Meter statt 60cm, bringt zwar mehr Signal, 
aber mit einem richtig darauf abgestimmten Schwingkreis wäre die 
Reichweite halt noch besser. Trotzdem wird die Reichweite so niemals 2km 
betragen.

Das Sendemodul zu modifizieren, wird auch nicht viel bringen. Der 
Transistor ist etwas schwach auf der Brust und für einen größeren reicht 
die Treiberleistung nicht, außerdem ist es illegal. Irgendwo hab ich 
gelesen, daß die abgestrahlte Leistung auf 100mW begrenzt ist (100mW 
EIRP). Falls das Modul 200mW liefert, bezweifle ich, daß mehr als 1/4 
davon abgestrahlt wird. Aber möglicherweise lefert es auch 400mW, das 
weiß keiner. Bei L4 handelt es sich um die Anpassungsspule an die zu 
kurze Sendeantenne. Sowas hat einen schlechten Wirkungsgrad.