Modelářská serva - základní informace

Modelářská serva původně používaná zejména RC modeláři pronikají poslední dobou víc a víc i do oblasti železničního modelářství. Z dotazů zákazníků ale vidím, že jen málokdo opravdu ví, jak tato serva fungují a jak je používat. V tomto článku jsem tedy sepsal alespoň základní úvod pro ty, kteří tuto oblast teprve začínají objevovat.

Typické použití na kolejišti spočívá v přehazování výhybek, návěstí na mechanikách, závor přejezdů nebo třeba otevírání dveří a vrat. Jak je ale vidět z následujících ukázek z youtube.com, modeláři se neomezují jen na tyto jednoduché úlohy. Nakonec, ukázky řeknou mnohem více než popsaná stránka textu.


Co je to vlastně modelářské servo? Je to malá součástka, která má za úkol otáčet svým ramenem, kterým nastavuje například výchylky klapek v modelu letadla, natočení kol modelů automobilů nebo přestavuje jazyky výhybek.
Základem je několikastupňová převodovka (foto viz níže), díky které mají serva i přes své malé rozměry velkou sílu. Skládá se z několika (obvykle 4-5) ozubených kol. U většiny serv jsou z důvodu nízké ceny a hmotnosti použita plastová kola, najdou se ovšem i serva s celokovou převodovkou a kuličkovými ložisky.

Převodovka je poháněna malým stejnosměrným motorkem. V nejmenších servech se používají bezjádrové (tzv. "core-less") motorky, většinou ale uvnitř naleznete standardní stejnosměrné třípólové motorky. Napájení se z původních 5V přizpůsobilo běžně používaným napětím v modelech daných napětím akumulátorů. Obvykle je v rozsahu 3.8 - 6 V.
Nutnou součástí serva je též jednoduchá elektronika, která vyhodnocuje zpětnou vazbu z ramene serva a porovnává ji s řídícím signálem. Podle toho upravuje aktuální nastavení ramene serva. Zpětná vazba je tvořena potenciometrem pevně spřaženým s posledním stupněm převodovky. Elektronika je u levných serv realizována analogovými obvody, dražší serva jsou řízena procesorem (např. PIC16).
Z výše uvedeného vyplývá, že při použití serva je třeba ještě další řídící elektronika. V RC modelech tuto funkci zastává přijímač. U modelové železnice se můžeme setkat s velkým množstvím servodekodérů vyráběných profesionálně modelářskými výrobci, poloamatérsky podle různých veřejných licencí a nebo třeba doma pro radost dle vlastních návrhů.
Tato elektronika poskytuje servu napájení a hlavně řídící signál. Pro řízení serva se používá takzvané modulace šířky pulzu. Šířka signálového pulzu je v rozsahu 1 ~ 2 ms, čemuž odpovídá rozsah natočení o 90 stupňů. Klidové poloze serva odpovídají pulzy o délce 1.5 ms, natočení o -45 stupňů pulzy délky 1 ms a natočení o +45 stupňů pulzy o délce 2 ms.
Většina serv má rozsah řídících pulzů a odpovídajícího úhlu natočení rozšířen až na 180 stupňů (0.5 - 2.5 ms). Pulzy mimo tento rozsah mohou vést k přejezdu ramene až na mechanické dorazy a poškození serva.
Řídící pulzy jsou periodicky opakovány 50x za sekundu, tato hodnota však není kritická. Pro správnou funkci serva by se však měla pohybovat mezi 30 a 60 Hz. Úhel natočení nezáleží na opakovací frekvenci, ale pouze na šířce pulzů.
Řízení natočení serva a rychlosti přeběhu je tedy velice jednoduché a zvládne jej prakticky každý jednočipový procesor, který tvoří základ DCC dekodérů. Signál lze také generovat analogovými obvody na bázi známého multivibrátoru 555.

Rozdělení serv a jejich parametry
Jak již bylo řečeno, nejčastěji nalezneme serva v RC modelech. Pro letecké modeláře je velice důležitým parametrem hmotnost, proto ve většině literatury nebo obchodech nalezneme dělení právě podle hmotnosti. S hmotností samozřejmě souvisí i další důležité parametry jako rozměry nebo kroutící moment.
Nejmenší dnes dostupná serva váží pouhý 1 gram (!!). Tomu samozřejmě odpovídá jejich cena, která hmotnost více než dovažuje :-). Serva o hmotnosti 2g jsou už dostupná za přijatelnější peníze. Tato kategorie serv s hmotností do 5g je nazývána jako Super-Micro, Ultra-Micro či Sub-Micro. Prostě velmi malá serva.
Další kategorie pokrývá serva od 5 do 10g a je běžně označována jako Micro. V této kategorii můžeme nalézt vhodná serva pro široké použití v modelové železnici, protože právě zde jsou nejlevnější modely, které pro naše aplikace plně vyhovují.
Z dalších kategorií (Mini - 10~20g, Park 20~30g, Standard 30~50g a X-Large nad 50g) stojí za zmínku pouze poslední, ve které můžeme najít servo dostatečně silné třeba pro pohon točny.
Na obrázku vidíte příklad srovnání velikostí pro 3,7g sub-mikroservo, dále nejlevnější 9g mikroservo (vhodné pro přestavníky) a velké 55g servo s kovovými převody.

Zajímavou variantou pro železniční modeláře jsou lineární serva. Jejich rameno se nenatáčí kolem osy, ale pohybuje se rovně s výchylkou v řádu 5~7 mm. V kombinaci s jejich malými rozměry mohou najít zajímavé využití třeba při otevírání dveří ve vozech řady Z a podobně.
Princip řízení je stejný jako u standardních serv, vyrábějí se ale ve dvou provedeních - levém a pravém - dle pohybu ramene v závislosti na signálu.

Další důležité parametry serv
Kromě hmotnosti je důležitým parametrem kroutící moment serva, resp. jeho síla. Obvykle se udává v kg/cm a vyjadřuje hmotnost závaží, kterým je ještě servo schopné pohnout, pokud bude zavěšené na rameni o délce 1cm. Nejmenší serva mají tah v řádu 0.2-0.3 kg/cm, největší dosahují řádu 10kg/cm. Pro železniční modeláře vhodná 9g serva TG9e, resp. HXT900 mají tah 1.5kg/cm. To je pro přehazování výhybek nebo návěstidel bohatě postačující.
Letecké modeláře zajímá též rychlost pohybu serva, která udává, za jak dlouho se servo natočí o úhel 60 stupňů. Obvykle se rychlost pohybuje mezi 0.1 a 0.2 s dle velikosti a kvality serva. V modelové železnici je ale servo využíváno spíše pro pomalý a plynulý pohyb (např. jazyků výhybek), takže tento parametr není třeba považovat za podstatný. Zajímavější je pro nás schopnost rozlišit malé změny vstupního signálu a reagovat na ně. Běžná serva jsou schopná rozeznat změny odpovídající ~2°, ta kvalitnější i ~1°.
Pro použití v modelové železnici není podstatný ani materiál převodů, pro ilustraci však přikládám fotografii velkého serva s kovovými převody s kuličkovým ložiskem a mikroserva s plastovými převody.


Před použitím serva, resp. jeho nákupem je vhodné zkontrolovat rozsah napájecího napětí. Zejména nejmenší serva (1~3g) jsou konstruována na napájení jedním bateriovým článkem a jejich maximální napájecí napětí je kolem 4.5V. Připojením napětí vyššího než 5V takové servo spolehlivě shoří. Mikroserva pracují s napětím v rozsahu 3.7 ~ 4.8 V a není problém je provozovat i na 5V. Podobně jako u lokomotiv i zde platí, že rychlost a síla serva je úměrná připojenému napájecímu napětí.

Posledním důležitým parametrem jsou vlastní rozměry serva. Ve většině aplikací modelové železnice nebudou nijak kritické, volíme je proto hlavně s ohledem na možnost montáže serva do panelu. Orientační představu o rozměrech můžete získat ze srovnávací fotografie výše, která je pořízena na podložce s rastrem 1 cm.
Pokud osazujeme více serv, jistě přijde vhod již hotový držák pro jednoduchou montáž. Lze si vybrat z různých variant - např. leptané nebo odlévané držáky z obchůdku Honzíkovy Vláčky, nebo lisované držáky s příslušenstvím z naší nabídky. Vyrábí je přímo firma Motrak Models v USA a nad vývojem a testováním optimálního provedení strávili nemálo času. V USA se prodávají za $3, což spolu s dopravou, clem a DPH odpovídá námi nabízené ceně 79,- Kč. Při nákupu sady držáku a serva můžete ještě mírně ušetřit.
Výše uvedené držáky lze osadit servy typu HXT900, TG9 a TG9e, případně srovnatelnými ekvivalenty prodávanými pod mnoha dalšími označeními. Osazení držáku je velice jednoduché a v případě potřeby jej lze doplnit i koncovými vypínači pro připojení srdcovky nebo zpětné vazby na panel.

Při nákupu serva si také ověřte použitý připojovací konektor. Všechna serva používají 3 pinové konektory, jejichž provedení se mírně liší dle výrobce. Pokud na desce máte pouze připojovací piny bez plastového krytu, stačí si dát pozor na jedinou věc - rozteč pinů konektoru musí být 2.54 mm. Tento typ je osazován na většinu serv s výjimkou těch nejmenších, kde je z prostorových důvodů použit miniaturní konektor Molex, označovaný jako Picoblades, případně čínský JST. Poznáte je snadno podle jejich bílé barvy a rozteče pinů 1.27mm, zatímco ten "správný" je černý.

Odkud serva pocházejí a kde je lze koupit?
Většina serv (a to i renomovaných značek) pochází z Číny, kde se vyrábějí v milionových sériích. Odtud se různými způsoby dováží do Evropy - obvykle od čínského prodejce modelářských potřeb. Tam si je může koupit prakticky každý, kdo ovládá angličtinu a vlastní PayPal účet. Z těchto zdrojů pochází prakticky všechna levná serva čínských značek prodávaná v ČR - HexTronics, Turnigy, případně další značky.
K ceně je nutné připočítat 20% DPH vzhledem ke zrušené výjimce, která osvobozovala z celního řízení zásilky do 150EUR. Nyní se tedy platí DPH ze všech zásilek s hodnotou nad 22 EUR vč. poštovného. Pokud bude zásilka nad 150EUR, zaplatíte také clo (v tomto případě 3.5%). Detailní informace o celním řízení naleznete na stánkách České Pošty, případně Celní správy. K tomu je třeba též přičíst 2x96 Kč za celní služby České Pošty, která vás vyzve k doložení skutečné ceny a následně zásilku proclí. Pokud si na celní poštu nezajdete osobně, tak si k dodací době přičtěte pár týdnů, než se vyřídí veškeré papírování.
Dokládání reálné ceny se týká zejména zásilek z Číny. Tamní prodejci si s nějakými zákony hlavu moc nelámou a na fakturu napíší libovolné číslo, o které zákazník požádá. Většina eshopů má už přímo v nabídce možnost zvolit zda bude faktura znít na 30, 50, 75 nebo 100% reálné ceny. Mají také možnost vybrat deklaraci zboží jako dárek, kdy jméno odesílatele zní podobně jako příjemce. Tyto praktiky celníci moc dobře znají, takže nefungují.
Pokud preferujete jednoduchý a rychlý nákup, můžete se obrátit na některý z eshopů sídlících v ČR - třeba na nás :-). Ceny nejlevnějších serv začínají na 80-100 Kč.
Také je možné navštívit Aukro.cz, případně ModelBazar.cz, kde jsou různá serva nabízena. Zde však musím varovat před různými podnikavci, kteří nabízené zboží objednají až poté, co obdrží peníze od Vás, takže můžete na dodání čekat i měsíc. V horším případě jej objednají u čínského obchodu přímo na Vaše jméno, načež budete celníky, resp. poštou vyzváni k úhradě DPH a poplatků dle prvního odstavce. Obvyklým indikátorem je nabídka desítek položek a tak nízké ceny, že téměř nepokryjí náklady poctivého prodejce.


K čemu takové servo připojit?
Jak bylo řečeno v úvodu, servo a jeho natočení je třeba řídit vhodným řídícím signálem. To zajišťuje takzvaný servodekodér - elektronika, která převádí požadavky obsluhy na řídící signál pro servo. Tyto dekodéry jsou nejčastěji digitální řízené pomocí DCC signálu, lze ale nalézt i analogové varianty reagující na vypínače.
Další možností je vyhození elektroniky a přímé řízení motoru serva - například lokodekodérem nebo vypínači.
Ukázky osazení serva na panel a podrobnější popis možností řízení si necháme na pokračování článku. Budeme se také věnovat úpravě serva, která odstraní omezení maximálního natočení a ramenem serva tak bude možné pohybovat bez omezení.