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Ratgeber

   

RC-Servos – Schnell, leistungsstark und in vielen ferngesteuerten Modellen unverzichtbar  

Bei dem Wort „Servo“ denken die meisten Menschen sofort an die Servolenkung, die das Autofahren so komfortabel macht. Diese hydraulische Lenkunterstützung beim Auto ist eine feine Sache und erleichtert das Rangieren oder das Einparken ungemein. 

Aber auch in der Technik und im Modellbau werden Servos genutzt. Sie kommen immer dann zum Einsatz, wenn mechanische Bewegungen realisiert werden sollen, die nicht vor Ort von Hand ausgeführt werden können. 

Diese Anforderung klingt im ersten Moment recht einfach. Doch dafür ist ganz schön viel technisches Know-how erforderlich. 

Anhand von RC-Servos erklären wir Ihnen gerne, wie moderne Servotechnik funktioniert.



Was sind RC Servos?

Im Modellbau werden RC-Servos benötigt. Aber nur dann, wenn das Modell auch ferngesteuert, also Radio Controlled, ist. Denn dann müssen Ruderklappen, Lenkgestänge, Hubschrauber-Taumelscheiben oder Vergaserdrosseln mechanisch bewegt werden. Die einzige Ausnahme stellen Copter bzw. Drohnen dar. Bei diesen speziellen Fluggeräten wird die Steuerung ausschließlich über unterschiedliche Propellerdrehzahlen realisiert.

Bei allen anderen ferngesteuerten Modellen muss das per Funk übertragene Fernsteuersignal in eine mechanische Bewegung umgewandelt werden. Und genau diese Aufgabe übernehmen RC-Servos. 

Auch wenn die grundsätzliche Aufgabenstellung immer gleich ist, sind die Rahmenbedingungen doch sehr unterschiedlich. Ein Servo, das an einem leichten Parkflyer die Ruderklappen bewegt, muss andere Eigenschaften aufweisen als ein Servo, das in einem großen Modellauto für die Lenkung zuständig ist. 

Darum gibt es auch die unterschiedlichsten Bauformen, wie wir später noch sehen werden.



Wie ist ein RC-Servo aufgebaut?

Ein RC-Servo besteht aus mehreren Komponenten, die letztendlich für die Güte und die Leistungsfähigkeit entscheidend sind.

Servohebel

Der Servohebel oder auch Abtriebshebel führt die mechanische Bewegung des Servos aus. Der Servohebel ist drehbar gelagert und besteht entweder aus Kunststoff, der teilweise faserverstärkt ist, oder aus leichtem Metall. 

Für die Montage der Schubstangen oder Anlenkungen liegen oft unterschiedliche Servohebel bei, die in den meisten Fällen bereits mit Bohrungen versehen sind. 

Damit die Hebel sich nicht auf der Abtriebswelle des Servos verdrehen können, sind beide Teile verzahnt. Leider gibt es keine genormte Verzahnung, sodass Servohebel und Servos unterschiedlicher Hersteller trotz gleicher Größe nicht unbedingt zusammen passen.


Elektromotor

Um die mechanische Bewegung des Servohebels bei einem RC-Servo zu erzeugen, ist ein Elektromotor erforderlich. Im Regelfall werden dafür meist handelsübliche Elektromotoren mit 3poligem Anker  verwendet. In unserem Ratgeber zu den Elektromotoren haben wir genau erklärt, wie diese Motoren funktionieren. 

Bei manchen Servos werden hochwertige Glockenanker-Motoren (Coreless-Motoren) verwendet. Bei diesen Motoren besteht der Rotor aus einer selbsttragenden Spule ohne Eisenkern, die sich um einen Permanentmagneten dreht. Durch die fehlende Masse ist die Trägheit des Rotors sehr gering und deshalb kann ein Glockenankermotor sehr schnell auf Drehzahl- oder Laufrichtungsänderungen reagieren. 

Um die Störanfälligkeit der Schleifkontakte eines Kollektormotors zu umgehen, gibt es spezielle Servos mit bürstenlosen Motoren (Brushless-Motoren). Allerdings sind diese Exemplare im Moment noch sehr teuer.


Getriebe

Damit Elektromotoren effektiv arbeiten können, müssen sie im Nenndrehzahlbereich betrieben werden. Am Servohebel wird aber nicht Drehzahl, sondern Kraft benötigt. Deshalb ist in einem RC-Servo ein Getriebe integriert. 

Je nach Auslegung können die Zahnräder aus unterschiedlichen Kunststoffen oder Metallen sein. Die Servo Typenbezeichnungen werden dann um die Buchstaben MG für Metallgetriebe oder TG für Titangetriebe ergänzt. Sogar ein Materialmix innerhalb des Getriebes ist nicht unüblich. 

Die Zahnradabmessungen richten sich nach dem Platz im Servo und der Kraft, die übertragen wird. Aus diesem Grund nimmt auch die Höhe der einzelnen Zahnräder zu. Die Zahnräder beim Motor sind noch verhältnismäßig dünn, während sie beim Abtriebshebel gut sichtbar höher sind.


Elektronik

Die Elektronik in einem Servo hat die Aufgabe den Ist-Wert und den Soll-Wert zu vergleichen und bei einer Abweichung den Motor nachzuregeln. Der Ist-Wert ergibt sich aus der Stellung des Servohebels. Aus diesem Grund ist die Welle des Servo-Abtriebshebels mit einem Potentiometer verbunden. Über die Potispannung kann somit die momentane Stellung des Hebels (Ist-Stellung) zugeordnet werden. 

Bei modernen Servos werden zunehmend auch verschleißfreie magnetische Encoder für die kontaktlose Positionsaufnahme verwendet. 

Die Soll-Stellung kommt vom Empfänger und wird über die Anschlussleitung dem Servo zugeführt. Die seit Jahrzehnten übliche analoge Signalverarbeitung weicht immer mehr der digitalen Signalaufbereitung. Deshalb sind moderne Servos mit hochwertiger Elektronik in SMD-Bauweise ausgestattet.


Gehäuse

Das Servogehäuse nimmt alle Komponenten des Servos auf und stellt eine Öffnung für die Abtriebswelle zur Verfügung. 

Bei manchen Servos ist noch ein Kugellager für die Abtriebswelle im Gehäuse mit integriert. Zum Teil wird dann die Typenbezeichnung mit den beiden Buchstaben BB für Ball Bearings ergänzt. 

In der unteren und mittleren Preisklasse bestehen die Gehäuse aus Kunststoff. Leistungsstarke Servos hingehen haben Metallgehäuse, die gleichzeitig auch als Kühlkörper dienen. Je nach Ausführung und Verwendungszweck sind am Gehäuse unterschiedliche Befestigungslaschen angebracht, um das Servo einfach montieren zu können. 

Beim Schiffs-Modellbau werden gerne wasserdichte Servos verwendet, um die Elektronik vor Spritzwasser zu schützen (IP-Schutzart).



Wie funktionieren RC-Servos?

Die wesentliche Anforderung an ein Servo ist, dass es proportional arbeitet. Das bedeutet, wenn am Sender ein Geber (Steuerknüppel, Schieberegler, Drehregler oder Schalter) in der Mittelstellung steht, muss auch der Hebel des dazugehörigen Servos in der Mittelstellung stehen. 

Wird der Steuerknüppel z.B. zur linken Seite ausgelenkt, muss sich auch der Servohebel zeitgleich zu einer Seite drehen. Wenn der Steuergeber zur rechten Seite bewegt wird, muss sich der Servohebel zur anderen Seite drehen. 

Falls die Drehrichtung des Servohebels nicht stimmt und entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Steuerknüppels sein sollte, kann das am Sender mit der Umkehr-Funktion (Reverse-Funktion) geändert werden. 

Die Positionen sämtlicher Steuergeber werden im Sender von der Elektronik 50 Mal pro Sekunde abgefragt. Aus den aktuellen Stellungen der Steuerknüppel, Schalter, Dreh- und Schieberegler wird ein Puls/Pausen moduliertes Signal (PPM) generiert. Dieses Signal wird anschließend einer Hochfrequenz aufmoduliert und per Funk zum Empfänger übertragen.

Der Empfänger decodiert die Sendersignale und erzeugt den Soll-Impuls für das Servo. Dabei handelt es sich um ein Rechtecksignal, das alle 20 Millisekunden (ms), also 50 Mal pro Sekunde, wiederholt wird. 

Je nach Stellung des Steuergebers am Sender schwankt die Pulsbreite zwischen 0,9 und 2,1 ms. Fachleute sprechen in diesem Fall von einem Pulsweiten moduliertem Signal (PWM). Die Mittelstellung des Servos entspricht 1,5 ms.  

Durch die Soll-Information vom Empfänger und der Ist-Information vom Getriebe-Poti kann die Servo-Elektronik Abweichungen ermitteln und unverzüglich nachregeln.



Welche unterschiedlichen RC-Servos gibt es?

RC Servos gibt es in den unterschiedlichste Ausführungen und auch Preisklassen. Für unerfahrene Modellbaufans ist es oft nicht nachvollziehbar, warum zwei Servos mit den gleichen Abmessungen so unterschiedliche Preise haben. Aus diesem Grund haben wir versucht die Leistungsmerkmale ein wenig genauer zu erklären. 

Größe und Gewicht

Ein Servo muss zum Modell passen. Viele Modell-Hersteller geben deshalb bereits bei der Konstruktion des Modells durch die Abmessungen des Servo-Einbauschachtes die Größe des zu verwendenden Servos vor. 

Allerdings gibt es auch Modelle, bei denen die Wahl des Servos freigestellt ist, weil die erforderlichen Servohalterungen bzw. Servoschächte von den Modellbaufans selbst erstellt werden müssen. 

Aus diesem Grund werden Servos in den unterschiedlichsten Größen und Bauformen angeboten. Standard-Servos haben die Abmessungen von ca. 40 x 20 40 mm (L x B x H). Davon Abweichend gibt es noch kleinere Midi, Mini und Micro Servos und Sonderbauformen wie z.B. superflache Servos oder Low-Profile Servos für den Tragflächeneinbau und größere Lenkservos für Automodelle im Maßstab 1:5.


Stellmoment und Haltemoment

Die nächsten wichtigen Kriterien für ein Servo sind das Stellmoment und das Haltemoment. Das bedeutet, wieviel Kraft ein Servo für die Anlenkung von Rudern oder Lenkgestängen erzeugt und mit wieviel Kraft die ausgelenkten Elemente in ihrer Stellung gehalten werden.

Da herkömmliche Servos einen drehbar gelagerten Abtriebshebel besitzen und somit dem Hebelgesetz unterliegen, werden die Werte in Newtonzentimeter (Ncm) angegeben. 

Ein Servo mit einem Stellmoment von 30 Ncm ist in der Lage eine Masse von ca. 3 kg zu heben, wenn der Anlenkpunkt 1 cm vom Drehpunkt des Servohebels entfernt ist. Das Haltemoment ist bei digitalen Modellbau-Servos immer größer als das Stellmoment.


Stellgeschwindigkeit

Die Stellgeschwindigkeit eines Servos ist im Modellbau ein ebenso wichtiges Kriterium, wie das Stellmoment. Je weniger Zeit ein Servo benötigt, um von einem Endausschlag zum anderen zu drehen, desto besser werden schnelle Steuerbefehle vom Sender umgesetzt. Aber auch wenn z. B. bei Modellhubschraubern elektronische Stabilisierungssysteme (Kreisel bzw. Gyros) eingesetzt werden, ist es erforderlich, dass die daran angeschlossenen Servos schnell und zuverlässig auf die vom Gyro erzeugten Steuerimpulse reagieren.


Stellgenauigkeit

Moderne Fernsteuerungen sind in der Lage, den Weg eines Steuergebers in sehr feine Schritte zu unterteilen und diese Informationen auch an das Servo zu übermitteln. 

Das Servo muss dann auch in der Lage sein, diese Information umzusetzen. Dies ist sehr schön an hochwertigen Flugmodellen erkennbar, die an den Tragflächen eine messerscharfe Hinterkante aufweisen. 

Werden die Querruder oder Wölbklappen ausgelenkt und fahren dann wieder zurück in die Neutralstellung, ist leicht zu sehen, ob eine Klappe dann höher bzw. tiefer steht oder exakt zum Flügel ausgerichtet ist.


Analog oder digital

Es gibt zwei unterschiedliche Möglichkeiten die Signale innerhalb eines Servos zu verarbeiten. Analoge Servos gibt es bereits seit der Einführung von Fernsteueranlagen für den Modellbau. Um die Servos schneller und stärker zu machen, haben sich die Hersteller dazu entschlossen, die Signalverarbeitung im Servo digital zu gestalten.



Was ist der Unterschied zwischen Analog- und Digital-Servos?

Um die Leistungsfähigkeit eines Servos zu verbessern, wurde die digitale Servoelektronik eingeführt. Den Unterschied zur analogen Technik ist am einfachsten erkennbar, wenn beide Systeme miteinander verglichen werden.

Analog-Servo

Der Anschluss eines Servos an einem Empfänger erfolgt über eine dreiadrige Leitung. Neben der Versorgungsspannung (Plus und Minus) werden auf der dritten Ader die Steuerinformationen (Soll-Impuls) übertragen. Dazu gibt der Empfänger 50 Mal pro Sekunde oder alle 20 ms (Millisekunden) einen Steuerimpuls aus (siehe Skizze bei der Funktionsbeschreibung).

Das klingt im ersten Moment recht schnell. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Stellinformationen der Sender-Steuerknüppel und -Schalter nacheinander übertragen werden und so die Impulsbreite je nach Steuerknüppelstellung nur 0,9 – 2,1 ms (Servo-Mittelstellung = 1,5 ms) beträgt (siehe Signal A in Schaltskizze 1). In der restlichen Zeit (19,1 – 17,9 ms) erhält das Servo keine Stellinformationen und hat somit keine Möglichkeit, den Servohebel während dieser Zeit in die erforderliche Position zu fahren, bzw. die vom Sender vorgegebenen Position zu halten.

Schaltskizze 1: Aufbau eines Analog-Servos

  1. Referenzimpuls
  2. Differenzimpuls
  3. Puls-Stretcher
  4. Rx-Signal
  5. Steuerlogik
  6. Endstufe
  7. Servo-Motor
  8. Servo-Getriebe
  9. Potentiometer

Die Schaltskizze 1 zeigt den schematischen Aufbau eines herkömmlichen analogen Servos. Es ist deutlich erkennbar, dass der Servomotor im Zeitraum von 20 ms nur einen Regelimpuls erhält (siehe Signal B). Je größer die Abweichung des Servohebels von der Ist- zur Soll-Stellung ist, desto breiter sind die Motorimpulse. Die momentane Stellung des Servohebels (Ist-Stellung) wird der Regelelektronik über ein Potentiometer mitgeteilt.


Digital-Servo

Ein Digital-Servo ist mechanisch wie ein Analog-Servo aufgebaut. Jedoch wird anstelle der spannungsgesteuerten Regelstufen ein Microprozessor eingesetzt. Nach der Digitalisierung und Speicherung der Stellinformation vom Empfänger kann der Prozessor nun auch in den Impulspausen (19,1 – 17.9 ms) den Servomotor ansteuern, um den Servohebel in die erforderliche Stellung zu bringen bzw. zu halten.
Somit laufen Digital-Servos schneller, kraftvoller und haben enorme Haltekräfte. Und da bereits minimale Abweichungen von der Sollposition nachgeregelt werden, sind Digital-Servos zudem noch wesentlich stellgenauer. Allerdings steigt durch die häufige Ansteuerung des Servomotors auch der Strombedarf des Servos.

Schaltskizze 2: Aufbau eines Digital-Servos

  1. Analog-Digital-Unit
  2. Regel-Logarithmus
  3. Pulsweiten-Generator
  4. Impulsbreitenmessung
  5. Steuerlogik
  6. Endstufe
  7. Servo-Motor
  8. Servo-Getriebe
  9. Potentiometer

Die Schaltskizze 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Digital-Servos. Es ist deutlich erkennbar, dass der Servomotor im Zeitraum von 20 ms weit mehr Ansteuerimpulse als beim Analog-Servo erhält (siehe Signal B). Auch hier ist die Impulsbreite wieder von der Soll-, Ist-Stellung des Servohebels abhängig.

Unser Praxistipp: Servotest

Mittlerweile sind Digital-Servos immer weiter verbreitet und oft ist es am Typenschild nicht erkennbar, ob die Servo-Elektronik analog oder digital aufgebaut ist. Um das herauszufinden reicht es aus, das Servo an einen Servo-Tester anzuschließen und dann den Hebel von Hand gefühlvoll aus der momentanen Stellung zu drehen. Das Servo wird versuchen den Hebel zurück in die Ausgangsstellung zu bewegen. Wenn es dabei brummt, ist das Servo analog aufgebaut. Wenn es eher zirpt, ist die Signalverarbeitung digital. Die Brumm- und Zirp-Geräusche sind aber auch beim Einsatz in einem Modell gut hörbar, wenn die Servos arbeiten.



Wie werden RC-Servos angeschlossen?

In den meisten Modellen ist es ausreichend, die Servos einfach am Empfänger anzuschließen. Solange die Servos keinen übermäßig hohen Strombedarf haben, ist das vollkommen in Ordnung und hat sich in der Praxis seit Jahren bestens bewährt. Der Anschluss erfolgt über ein dreiadriges Kabel, das mit einem Futaba- oder JR-Stecker  ausgestattet ist. Bei manchen Linear- oder Micro-Servos werden kleinere JST-Stecker verwendet.

Allerdings muss beim Anschluss immer die Spannungsversorgung beachtet werden. Bis dato wurden 4 – 5zellige NiCD- oder NiMH-Akkus verwendet, wodurch die Betriebsspannung für die Empfangsanlage und die Servos 4,8 – 6,0 V betragen hat. Demzufolge sind auch bei Elektromodellen die BEC-Systeme in den Motorreglern, die zur Versorgung von Empfänger und Servos dienen, auf diesen Spannungsbereich ausgelegt.

Das sind mittlerweile die gängigsten Steckverbinder für Servos.


Akkuweiche zur Stromversorgung

Um leistungsstarke Servos bauen zu können, werden starke Motoren benötigt. Diese haben dann auch eine entsprechend hohe Stromaufnahme. 

Damit der Strom aber nicht zu hoch wird, mussten die Servo-Hersteller die Betriebsspannung anheben. Mittlerweile gibt es Hochvolt (HV) Servos, die mit 8,4 V oder sogar mehr betrieben werden können. 

Derart leistungsstarke Servos werden aber nur noch dann am Empfänger angeschlossen, wenn auch der Empfänger für 8,4 V ausgelegt ist. Bei aufwändigen und teuren Modellen werden spezielle Akkuweichen eingesetzt, die eine redundante Stromversorgung der Servos aus zwei getrennten Versorgungsakkus übernehmen. Der Empfänger, oder besser gesagt, die Empfänger liefern dann lediglich die Steuersignale für die Akkuweiche. Da dafür ein Summensignal genutzt wird, reicht eine dreiadrige Verbindung pro Empfänger aus.



Häufig gestellte Fragen zu RC Servos

Wie finde ich das passende Servo für mein Modell?

Das erste Auswahlkriterium ist der zur Verfügung stehende Einbauraum, der die Größe der verwendbaren Servos vorgibt. Dann ist die Frage nach dem Stellmoment und der Stellzeit zu klären. Meistens geben die Modellhersteller bei den technischen Daten diesbezüglich keine konkreten Vorgaben an, sodass auf eigene Erfahrungswerte zurückgegriffen werden muss. Zum Schluss spielt auch der Preis eine Rolle, denn oft sind in den Modellen mehrere Servos erforderlich.  


Wann wird ein Digitalservo benötigt?

Ein Digitalservo wird dann benötigt, wenn hohe Stell- und Haltekräfte gefordert sind. Die ersten Digitalservos waren in der Größe von Standard Servos. Dank einer stetigen Weiterentwicklung gibt es Digital Servos auch in kleineren Bauformen und mittlerweile werden Digital Servos immer kostengünstiger.  


Wieso sind schnelle und leistungsstarke Servos so teuer?

Schnell und leistungsstark sind Eigenschaften, die sich nur mit großem technischen Aufwand kombinieren lassen. Wird das Getriebe kurz untersetzt, dreht sich der Servohebel schnell aber die erreichbare Kraft wird dadurch reduziert. Wird bei gleichem Motor das Getriebe lang untersetzt, wird ein hohes Drehmoment am Hebel erreicht, aber die Drehgeschwindigkeit wird kleiner. Um schnelle und gleichzeitig kraftvolle Servos nutzen zu können, wurden Digitalservos entwickelt.   


Dürfen Servos parallel geschaltet werden?

Ja, das ist technisch möglich. Dafür gibt es extra Y-Kabel, um zwei Servos an einem Empfängerausgang betreiben zu können.


Was bedeuten MG, TG oder BB bei der Servobezeichnung?

Die Buchstaben MG stehen für Metallgetriebe (Metal Gear), TG steht für Titangetriebe und BB für kugelgelagert (Ball Bearing). Manchmal werden sogar beide Abkürzungen gleichzeitig genutzt. Dann steht nach der Typenbezeichnung des Servos MG und BB.


Wann sollte eine Servo mit Metall-Getriebe ausgerüstet sein?

Das Lenk-Servo eines RC-Cars sollte ein Metall-Getriebe (MG) besitzen. Denn wenn das RC-Auto fährt, werden immer wieder mehr oder weniger harte Schläge vom Rad über das Lenkgestänge auf das Servo übertragen. Und je größer das Fahrzeug, umso stärker die Belastung. Darum werden in großen Modellautos kugelgelagerte Lenk-Servos mit Metallgetriebe, wie z.B. das HS-755MG eingesetzt. Aber auch bei Flugmodellen ist die Kraft nicht zu unterschätzen, die z.B. bei einer harten Landung durch das Gewicht der Ruderklappen auf die Servos übertragen wird.  


Was ist ein Linearservo?

Bei einem Linear-Servos befindet sich der Anlenkpunkt für ein Gestänge nicht auf einem drehbar gelagerten Hebel sondern auf einer Gewindewelle. Somit wird keine kreisbogenförmige sondern eine lineare Bewegung erzeugt.


Können Servos repariert werden?

Sicher werden handwerklich geschickte Modellbaufans defekte Getriebezahnräder wechseln können. Vorausgesetzt für das Servo sind die Zahnräder als Ersatzteil erhältlich. Bei kostengünstigen Servos rentiert sich das finanziell oft nicht. Da ist der Neukauf die bessere Alternative. Dies ist dann auch bei Fehlern in der Elektronik ratsam.


Wodurch unterscheiden sich die Servostecker?

Der wohl am meisten verbreitete Anschluss-Stecker ist JR (vormals Graupner /JR) mit den zwei abgeschrägten Kanten. Dadurch ist der Servostecker verpolungssicher, wenn nicht mit Gewalt gearbeitet wird. Der Futaba-Stecker ist ähnlich aufgebaut, hat aber keine abgeschrägten Kanten, sondern einen zusätzlichen Steg, der als mechanischer Verpolungsschutz dient. Wenn der Steg entfernt und die Kanten mit einer Schlüsselfeile nachgearbeitet wurden, passt der Futaba-Stecker auch in einen Graupner-Empfänger mit JR-Buchsen. Ein JR-Stecker kann ohne Änderungen an einem Futaba-Empfänger angeschlossen werden. Uni-Stecker sind für beide Systeme geeignet. Linear-Servos verfügen oft über einen JST-Stecker.  


Was sind Segelwinden-Servos?

Während herkömmliche Servos einen Drehweg von ca. 120° (± 60°) und für spezielle Anwendungen 180°aufweisen, können Segelwinden-Servos drei komplette Umdrehungen oder mehr machen. Anstelle eines Hebels wird eine Seilscheibe montiert, mit der dann die Leinen zur Segelverstellung bei Modell-Segelbooten auf- oder abgewickelt wird.

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