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Circuitos Electronicos de Radio Control





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Con LM1871

Lo que se describe a continuacion es la Nota de Aplicacion de National sobre el CI LM1871, el mismo se encuentra mas completo en su version en ingles aca.


Señal de salida (Pin 13) del codificador.

Caracteristicas Generales

El circuito integrado que emplearemos es el LM1871 el cual segun el fabricante es un codificador digital proporcional completo de 6 canales, tambien tiene un transmisor de RF (radio frecuencia) para uso en baja potencia sobre bandas de 27MHz y 49MHz sin necesidad de algun tipo de licencia. El CI (Circuito Integrado) nos provee de un sumador logico para poder elegir la cantidad de canales que tendra el radiocontrol, los cuales pueden ser de 3 a 6, dando una buena flexibilidad para todo tipo de diseños. Cando se usa conjuntamente con el Receptor/Decodificador LM1872 obtenemos sistema codificador-decodificador de muy bajo costo y con un enlace de RF.

En resumen el LM1871 tiene:
  1. Capacidad de operacion de bajo consumo a 9V
  2. Oscilador y transmisor de radio en el mismo chip
  3. Solamente un solo capacitor como base de tiempo para los 6 canales
  4. Cantidad de canales programable.
  5. Salida de RF regulada
  6. Control de modulacion de ancho de banda externo.
  7. Regulador de voltaje interno de 4.6V
  8. Operacion en frecuencia hasta 80MHz.

Caracteristicas Electricas

Tension maxima de trabajo = 16v
Tension minima de trabajo = 4,5v
Salida maxima de corriente por el pin 4   = 10mA
Salida maxima de corriente por el pin 13 = 25mA
Disipacion maxima = 1600mW
Rango de operacion de temperatura  =   -25ºC hasta +85ºC
Salida de RF = 400mV (eficaz)

A partir de estos valores podemos deducir que no habria problema de alimentar el circuito con 12v si bien lo tipico son 9v, esto se puede hacer con 10 pilas recargables de Ni-Cd de 1,2V en serie.

Como funciona el circuito?

El circuito que se detalla a continuacion con LM1871 ha sido diseñado para codificar y transmitir portadoras de RF en 27 o 49MHz para aplicaciones de radiocontrol (RC) y pude usarse hasta 6 funciones o canales analogicos totalmente independientes.
La seccion del codificador lo que hace es convertir la posicion de un potenciometro a un cierto ancho de un pulso. Cada uno de los pulsos de ancho variable "tCH" son precedidos por un espacio de un ancho fijo llamado "tm" y luego de 6 tCH y 6 tm comienza el pulso de sincronizacion. La figura 1 nos muestra el formato digital proporcionalmente y como se definen los tiempos de "sync" (sincronismo) llamado tS y tiempo de "frame" (trama) llamado "tF".


Esquema de evolucion de la señal desde el codificador hasta al decodificador
(Fig 1)

La figura 1(A) muestra la forma de onda del codificador. El tiempo de modulacion (tm) es fijo mientras que el tiempo de canal (tCH) es variable en su duracion,  o bien variable en su ancho. En la figura 1(C,D) se pueden ver la forma de onda de los pulsos recuperados en el decodificador LM1872, en los cuales se hace notar que es la suma de (tCH) con (tm) y se repiten despues de el tiempo de sincronizacion. Observaremos que como el tiempo de trama (tF) es constante y el tiempo de los canales (tCH) son variables el tiempo de sincronismo (tS) debe variar inversamente de lo que varian los (tCH).

Despues de la deteccion que se produce en el receptor de RC, los pulsos de ancho variable deben convertirse en la funcion analogica necesaria para mover un servo. Los requerimientos de  entrada de los servos usados van a determinar el tiempo de trama utilizado y el rango del ancho del pulso a transmitir. Generalmente cuando el servo esta en el medio de su recorrido el ancho del pulso es de 1,5ms, para el maximo a la izquierda es 1,0ms y para el maximo a la derecha es de 2,0ms y este valor debe repetirse cada 20ms. Tambien se puede diseñar un canal digital donde el valor de 1,0ms sea ON y el valor de 2,0ms sea el OFF.

La figura 2 muestra el diagrama en bloque y una aplicacion tipica del LM1871 usando dos canales totalmente analogicos y dos canales digitales. En este circuito los estados de las salidas digitales se determinan por la cantidad de canales transmitidos en vez de ser por la duracion de los pulsos.


Circuito para 2 canales analogicos


El circuito receptor/decodificador LM1872 debe ser diseñado teniendo en cuenta estos parametros del transmisor para poder interpretarlos correctamente.
El circuito impreso visto del lado de los componentes es el siguiente:


Circuito impreso visto del lado de los componentes


Fotografia del circuito terminado

La Tabla 1 muestra muestra la salida digital en funcion de la cantidad de canales transmitidos.


Tabla 1 (Click para agrandar)

Circuito de Temporizado del LM7871

La figura 3 muestra los dos circuitos de temporizacion y sus formas de onda usados por el LM1871.


Circuito interno de generacion del tiempo de los canales y de trama
(click para agrandar)

El oscilador del tiempo de trama (tF) consiste en un comparador de tension de alta ganancia y un transistor NPN (Q3) que hace de llave (switch). Cuando el transistor esta OFF el capacitor de temporizado (CF) se cargara a 2/3 de la tension Vreg. Entonces el comparador de tension hace que el transistor (Q3) pase al estado ON y se descargue el capacitor (CF) y termina el ciclo.
El circuito de tiempo de los pulsos es bastante parecido en la forma de funcionamiento exepto que el capacitor (CT) se carga desde 1/3 hasta 2/3 de la tension Vreg. El transistor PNP (Q82) hace que se cargue (CT) a traves de la resistencia de modulacion (RM) hasta un valor de 2/3.


Forma de onda en los temporizadores (Fig 4) (click para agrandar)

Luego la descarga de este (CT) se hace a traves de 6 transistores NPN (Qn) pasando por las resistencias del canal (RCH) correspondientes. Cada uno de estos temporizadores de pulsos son independientes entre si y se activa la carga/descarga de cada uno a su debido tiempo.
La constante de tiempo para estos circuitos se puede obtener con esta formula.



Donde V1 es la tension es la caida de tension en la resistencia de temporizado al final del ciclo.
y V2 es la caida de tension en la resistencia de temporizado al comenzar el ciclo.

En el circuito del temporizado de la trama el transistor (Q3) espera en el estado ON durante un periodo determinado por el tiempo de modulacion (tm). Esto se hace para estar seguro de que el capacitor (CF) esta totalmente descargado. Los tiempos de trama (tF), modulacion (tm), el de canal (tCH) se pueden calcular de la siguiente manera:



Las constantes de tiempo calculadas arriba en realidad estan afectadas por las resistencias de saturacion del transistor y del comparador de tension,  las cuales no seran de 1/3 y 2/3 de la tension de referencia Vreg. Una constante de tiempo debe ser usada para el tiempo de la trama (tF) y la constante de tiempo 0,63 debe usarse para los tiempos (tm) y (tCH).
Como los limites de tension son porcentages de la tension de refencia Vreg la precision del temporizado no se vera afectada cuando las baterias esten bajas (VCC < 5,6V). Tambien las altas y bajas temperaturas (-25ºC a +86ºC) no logran modificar mucho la precision.
En realidad la precision del sistema se ve mucho mas afectada por las tolerancias de los componentes del circuito. Los capacitores deberian ser del tipo NPO o cualquier otro que tenga bajo coeficiente de dispersion por la temperatura.

Ejemplo de Calculo

Este esjemplo de calculo nos sirve para poder adaptar cualquier tipo de control, en mi caso yo utilice 2 joysticks de PC para hacer los controles. Tambien servirian cualquier dispositivo que tenga mecanicamente adaptado un potenciometro en su eje.
La ventaja de usar joysticks es que ya viene prtacticamente armada toda la parte mecanica y ya viene con "trimmers" mecanicos, que sirven para corregir desplazamientos del punto medio del servo asociado a ese control.
Vamos a calcular los valores de los componentes para el circuito de la figura 2.

    Dado que: El tiempo de la trama (tF) = 20ms
                    Tiempo de modulacion (tm) = 500us
                    Rango del pulso (tch) = 1,0ms a 2,0ms
                    Tiempo entre pulsos fijo (tn) = 1,0ms


Componentes para el temporizador de trama:
Elejimos CF = 0,1uF +-10%


Componentes para el temporizador de modulacion:
Elegimos CT = 0,01uF  +-10%

Componentes para los canales no variables (del canal 3 al 6) -> Solo para 2 canales analogicos

Componentes para los canales 1 (t1) y 2(t2) cuando el potenciometro es usado en todo su recorrido es decir que  para el valor de RP, luego RS se encuentra para 0 ohm y para el minimo ancho del pulso (tn)

Ahora encontramos el valor de Rp para el maximo ancho del pulso (tn)

El valor de RP se podria dejar fijo y luego calcular el capacitor CT que necesitamos. Generalmente los potenciometros tienen angulo de variacion de  270º a 320º. Entonces la solucion es usar un potenciometro de 500K que tiene una variacion de 300º y limitarlo mecanicamente a un rango de variacion de algunos grados para que nos funcione en nuestro proyecto. Podemos encontrar este valor de la siguiente manera:

Angulo de variacion requerido


En la mayoria de los casos tendremos que usar algun tipo de trimm (correcion) debido a las tolerancias de las resistencias y los capacitores. En el caso nuestro del potenciometro de 500K podemos usar dos tipos de trimm, donde Rtrim es una parte del valor de la resistencia del potenciometro RP.


Figura 5


Circuito de RF


Tabla de componentes para RF para 2 bandas

Mi proyecto (Por Alejandro Weber)

Hice la version de dos canales analogicos para 27MHz usando los conponentes del ejemplo anterior y la verdad que resulto un poco dificil el ajuste de L1, es un valor critico porque L1 cumple varias funciones al mismo tiempo. Luego de ajustarla, logre transmitir, pero sin lograr buena distancia para aeromodelismo (Sirve bien para indoor o automodelismo cercano). Y si bien eso es un problema, no deja de ser solucionable con algun amplificador.

Lo mejor que tiene este CI con es la etapa transmisora sino si codificador, creo que es un poco mejor que el 4017 ya que se puede integrar un poco mejora en una placa.

Aca hay unas fotos de mi proyecto y este es el dibujo del circuito impreso que se propone en este articulo.
El mismo es de 2 canales analogicos y 2 digitales. Ya se que es muy poco, pero es importante hacer que ande bien este circuito y despues podemos modificarlo para aprovechar los 6 canales de transmision que permite como maximo. El detalle de como transmitir en 6 canales analogicos se puede apreciar en los circuitos de ejemplo del PDF del LM1871.



Esta presentada del lado de los componentes para que cuando uno la imprima con una impresora laser sobre un papel transfer (Se pueden comprar en las casas de electronica) nos quede listo para pasarlo a la placa de pertinax o de fibra de vidrio (recomiendo que usen esta ultima).

Como palanca de mandos utilice unos joysticks marca Genius que estaban nuevos (valio la pena).
Solo tenemos que ver de cuanto es el valor ohmico de los potenciometros que estan usando y el angulo de libertad que tenemos en el dispositivo.
En mi caso los potenciometros son de 100K y tuve que hacer todo el calculo de mas arriba, pero en vez de calcular el angulo necesario hice al reves; calcule las resistencias necesarias para el angulo y el potenciometro que yo ya tenia.

Mis Pruebas

Despues de exerimentar con este circuito llegue a la conclusion de que no esta pensado para hacerlo funcionar como modulador transmisor de R/C para aeromodelismo outdoor, si tal vez para indoor y otro tipo de actividad de control R/C que no requiera mucha distancia. La distancia maxima que logre con este transmisor fue de 250m. Cuando lo normal es alrededor de 1km, entonces no deja de ser un CI muy completo ya que abarca en un solo chip modulador y RF.
Es interesante el circuito que trae el PDF donde encontramos el CI LM1871 solo como encoder y con los 6 canales transmitiendo con una salida TTL, es decir 0 y 5v.

Lo que recomiendo es experimentar con este circuito como modulador ya que es mucho mas integrado y necesita menos componentes que el circuito del 4017

Para la parte de radiofrecuencia siempre podemos optar por algun modulo de RF como el transmisor 2 o alguno de los modulos comerciales o tambien si queremos alguno de infrarrojos para indoor.
Tambien este modulo es compatible con el decodificador 1 que usa el 4017, es decir que podemos hacerle pruebas al mismo usando el mismo decodificador que usamos en el experimento del 4017.

Aca esta el circuito codificador o encoder para 6 canales con salida TTL.

Circuito para 6 canales analogicos y solo codificador (click para agrandar)


Circuito impreso visto del lado de los componentes


Distribucion de componentes

Como se puede ver son mucho menos componentes que el modulador con el 4017. La salida de este codificador es ideal para ser enviada a un transmisor de RF o conversor de TTL a RS-232 para un simulador de vuelo en la PC.


LM1871 Montado en la caja del transmisor
La otra placa que se ve ahi es voltimetro para medir las baterias


Todavia no tengo conectados las demas perillas y llaves :P