Navimodélisme RC - Webzine de modélisme naval radiocommandé

vendredi 18 août 2017

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Amphicar

Amphicar : système électrique

Thierry Jorissens

Prérequis

J’ai déjà décrit l’équipement électrique fonctionnel de mon Amphicar dans cet article. Dans celui-ci, je vais en dire un peu plus sur sa réalisation et son implémentation, et citer tous les éléments employés. Mais je ne vais pas écrire un article à destination des seuls électroniciens, pas plus que je ne vais proposer un cours d’électricité à ceux qui ne savent pas comment raccorder une ampoule sur une pile !



Comme déjà expliqué, l’Amphicar n’est pas un premier modèle de débutant. Il me semble évident qu’un minimum de connaissances et de techniques (de l’expérience, en d’autres termes !) sont indispensables pour mener à terme un tel projet.
Mon but avec cet article inévitablement plus technique que les précédents (et que les suivants) est de montrer que malgré les apparences, un peu de réflexion, de bon sens, et un tout petit peu de calculs, sont suffisants et plus utiles qu’un diplôme d’ingénieur pour y arriver.
Ce qui n’empêche qu’il faut quand même avoir des connaissances de base en électricité...

Il y aura donc plus de texte et moins de photos de la construction que d’habitude... Mais quelques liens vers des articles de ce Webzine plus didactiques sur ces sujets sont donnés tout à la fin.

Le schéma de câblage a été conçu et figé bien avant de commencer à construire l’Amphicar. Il fallait concevoir l’ensemble des branchements, et la disposition de chaque élément dès la genèse du modèle, de manière à pouvoir prévoir les endroits où faire passer les câbles, où installer les divers raccordements entre les circuits, et où placer les éléments électriques.
En outre la séparation entre les "courants forts" et les "courants faibles" devait être respectée au mieux pour limiter les interférences électriques ou électromagnétiques (les éliminer totalement étant probablement impossible).

J’ai donc fait certains choix dès le départ après avoir décidé quels équipements j’allais rendre fonctionnels. J’ai aussi utilisé certains composants dont je disposais "en stock"... Il est donc possible et même probable qu’il existe mieux ou plus petit ou moins cher !
Pour rappel, la radio est une Futaba F14 Navy, et le récepteur un 8 voies Futaba FP-R118F.

La source d’énergie

Pour des raisons de place, j’ai choisi de n’utiliser qu’une seule batterie dans le modèle réduit.


-   Une NiMh risquait d’être trop lourde et de toutes façons cette technologie est dépassée. J’ai donc opté pour du LiPo (en l’occurrence, une Turnigy).
-   Pour avoir une certaine puissance disponible, j’ai choisi une LiPo 3S (donc "en gros", du 12 V (11,1 V nominal ou 12,4 V "chargé" ou 9,6 V à la limite de coupure, mais on dira 12 V pour la lisibilité...). Beaucoup d’accessoires et de modules électroniques sont conçus pour du 12 V, et il sera plus facile de raccorder des LED en série. En 2S (7,4 V), j’ai craint un manque de puissance et de réserve ou une difficulté inutile à calculer au plus juste des circuits qui risqueraient la sous-alimentation en cas de coupure de sécurité sous les 6,4 V généralement admis comme minimum pour des LiPos 2S. Cette marge permet aussi d’assurer une alimentation du récepteur quoiqu’il arrive.
-   Le récepteur et le servo de direction doivent être alimentés en 6 V. Il faut donc choisir soit un variateur pour le moteur de route, soit des contrôleurs pour les moteurs d’hélices, équipé(s) d’un circuit "BEC" permettant de se passer d’une batterie de réception, et fournissant donc le 6 V au récepteur.

Les moteurs

La LiPo 12 V alimentant directement les moteurs (via les contrôleurs/le variateur), il faut les choisir eux aussi, en 12 V.

Pour le moteur de route, c’est important car le couple et la vitesse de rotation que les constructeurs fournissent pour leurs moteurs à charbons ne sont donnés que pour la tension nominale qu’ils ont prévue.
MFA propose beaucoup de modèles 12 V réductés suffisamment puissants pour cet usage, et j’ai sélectionné deux modèles de ce constructeur dans le catalogue TecniModel, après avoir calculé la vitesse de rotation que je devais obtenir en sortie de différentiel pour garantir un fonctionnement correct. Après des tests réels sur le châssis bricolé lesté (de la voiture tout-terrain RC que j’ai appelé antérieurement "modèle de base"), j’ai retenu le modèle MFA Como Drills 970D161.

Par contre le choix des moteurs d’hélices était dicté par l’espace disponible sous le siège arrière pour leur installation. Il s’agit de moteurs brushless, qui peuvent le plus souvent s’accommoder de tensions très variables. Il restait donc à calculer leur "KV" (nombre de tours/minute par volt) pour 12 V, pour obtenir un nombre de tours d’hélices correspondant à la vraie Amphicar, avec une marge de réserve, et en tenant compte de pertes (glissement, frottements, "qualité" des moteurs...). Il fallait garantir 3000 tours sous eau à vitesse maximale, et j’ai pris une marge... de 200% !
Mon choix s’est porté sur des NTM 2836 750 KV de chez Hobby King.

Les contrôleurs et le variateur

Selon le constructeur, le moteur de route ne développe pas plus de 21 W. Sa consommation ne dépasse pas quelques ampères. Un variateur 15 A est largement suffisant, mais j’avais dans mes tiroirs un variateur Electronize FR30HX, donné pour le double (30 A) autant en marche avant qu’en marche arrière (il arrive souvent que la puissance en marche arrière soit moitié moindre). Je ne me suis donc pas posé de questions et j’ai décidé de l’utiliser.

Les moteurs d’hélices quant à eux fournissent 165 W à 12 V, toujours d’après le constructeur, avec une consommation maximale de 18 A. Des contrôleurs de 20 A devraient suffire, mais j’ai choisi des modèles Hobby King CAR ESC 60 A...
Le variateur FR30HX n’a pas de BEC, il faut donc que les contrôleurs en disposent (seul le BEC d’un des deux contrôleurs sera utilisé, l’autre sera désactivé) et on a un BEC plus puissant avec les contrôleurs 60 A... Ce BEC, fournissant 6 V, alimentera le récepteur et tout ce qui y sera connecté, à savoir des servos ou des circuits de commande (comme les interrupteurs électroniques) commutant les circuits de puissance (comme les phares ou le klaxon) alimentés, eux, en 12 V par la LiPo directement.

Les phares

J’en ai déjà parlé : il s’agit de lampes de poche VARTA équipée d’une LED de puissance alimentée par trois piles AAA, donc 4,5 V.
J’ai raccordé les deux phares en série, et alimenté ce circuit par un UBEC 9 V connecté par un interrupteur électronique à la LiPo 12 V. Ce circuit alimente bien sûr en même temps les feux arrière (des LED rouges en série avec une résistance de limitation).
L’interrupteur électronique et le UBEC sont dans le tableau de bord, plus précisément dans "la boite" formant la structure du tableau de bord. En outre, ce circuit est doublé d’un interrupteur mécanique au tableau de bord.

A gauche l’interrupteur électronique utilisé pour les phares, et à droite le UBEC qui leur fournit 9 V.
Tous deux proviennent de Hobby King.

Les feux stop

Deux LED rouges en série sont raccordées à un petit module électronique spécialement conçu à cet effet, initialement prévu pour les camions RC, trouvé dans le catalogue TecniModel (ref. PS2BR).

Ce module (lui aussi installé dans le tableau de bord) est raccordé au récepteur en parallèle (via un câble en Y) avec le variateur de vitesse du moteur de route qui lui sert de signal de commande, et fonctionne d’une manière toute simple et totalement automatique :
-   A l’arrêt, tout est éteint.
-   Quand l’Amphicar roule (gaz en avant ou en arrière), tout est éteint.
-   Quand l’Amphicar s’arrête (gaz remis à zéro), les feux stop s’allument, restent allumés quelques secondes puis s’éteignent.

Les clignoteurs

J’avais dans mes tiroirs un module clignoteur Robbe 8220, dont je ne me servais pas... Ce module dispose de deux modes de fonctionnement : soit un clignoteur simple sur une ampoule, soit un clignoteur inverseur sur deux ampoules. J’ai quelque peu détourné le premier mode pour les clignoteurs de l’Amphicar, en utilisant un interrupteur à 3 positions (ON-OFF-ON) sur la radio F14.

Cet interrupteur commande un servo actionnant un ensemble formé de 4 micro-interrupteurs. Le câblage de ces derniers sur le module est conçu soit pour activer ce dernier et orienter la sortie clignotante vers un des deux groupes de LED oranges en série si l’interrupteur est actionné sur une des deux positions ON, soit pour le désactiver si l’interrupteur est sur la position médiane OFF.
De cette manière j’ai obtenu un système qui alimente (via le module clignotant) soit les deux LED gauches, soit aucune LED, soit les deux LED droites selon la position de l’interrupteur sur la radio.

La platine Robbe 8220 ainsi équipée et modifiée est installée sous le siège avant.

Le module clignotant de Robbe, modifié, est évidemment testé "en fils volants" avec les LED orange définitives, avant d’être installé.

Le klaxon et la corne de brume

Le montage est beaucoup plus simple : un servo (Hextronik HXT 900 de chez Hobby King) est connecté mécaniquement par une tige, au levier d’un interrupteur à 3 positions ON-OFF-ON.

Selon la position du curseur sur la radio, le servo pousse ou tire le levier de l’interrupteur et actionne soit le circuit du klaxon, soit le circuit de la corne de brume, soit... rien.

La corne de brume est un minuscule module (25 x 19 mm) vendu par Conrad (art. 196967).
Le haut-parleur provient d’un vieil ordinateur.
Le klaxon est composé de deux petits "buzzers" 12 V (deux pour augmenter la puissance du son) provenant de mes fonds de tiroirs...

La platine supportant le servo et l’interrupteur est installée sous le siège avant. Ces deux circuits radiocommandés sont en outre doublés chacun d’un interrupteur poussoir mécanique au tableau de bord.

Les feux de navigation

A l’avant, les feux de navigation sont situés sur le coffre de l’Amphicar à la manière d’un Riva. Il s’agit d’une seule grosse LED de 10 mm taillée, et peinte pour moitié en rouge et pour moitié en vert, avec de la peinture translucide.
A l’arrière, le feu de route est une LED 360° située au sommet d’un mât, qui s’emboite sur une prise fixée sur le capot (le mât est amomvible).
Ces deux LED en série sont allumées/éteintes depuis la radio par l’intermédiaire d’un interrupteur électronique situé dans le tableau de bord.

A ce moment de la réalisation, le câblage de ces feux dans la voiture se termine par deux petites prises à proximité du coffre et du capot, puisque les feux en eux-mêmes sont "solidaires" de ces deux éléments amovibles. La grosse LED de 10 mm à l’avant est raccordée à une fiche, qu’il faut emboiter dans la prise en question lors de la mise en place du coffre. Même chose à l’arrière pour le feu de route. Mais ceci sera fabriqué un peu plus tard, lors de la réalisation des accessoires.

Le câblage

J’ai séparé tant bien que mal les courants "forts" des courants "faibles".

Ces borniers proviennent du catalogue Wago (ici, des modèles 221) et sont vendus par Conrad.
 
Sur le côté gauche de l’Amphicar, on trouve les gros câbles amenant le 12 V aux borniers de distribution. Il y en a un dans le coffre avant alimentant tout ce qui se trouve dans le tableau de bord, et un autre dans le coffre arrière, pour alimenter les deux contrôleurs, le variateur, et distribuer le 12 V aux modules sous le siège avant.
Sur le côté droit de l’Amphicar, j’ai regroupé tous les câbles de commande des contrôleurs, variateur et servos, ainsi que les petits câbles qui relient ou raccordent les circuits électriques de l’avant , du centre (sous le siège avant), et de l’arrière.

Quelques considérations pratiques...

Une petite particularité à signaler :
Mon Amphicar est mise sous tension grâce à un simple interrupteur au tableau de bord.
En réalité, cet interrupteur est connecté à chacun des deux contrôleurs d’hélices, en parallèle. Le BEC d’un des contrôleurs est désactivé, et le BEC de l’autre alimente le récepteur (et ce qui y est raccordé).

L’interrupteur au tableau de bord met donc sous tension, en une seule opération, les deux contrôleurs. Le BEC non désactivé d’un des deux alimente alors instantanément le récepteur, ce qui se traduit par l’allumage d’une LED au tableau de bord (simplement connectée à une des voies non utilisée du récepteur).

Le variateur du moteur de route est quant à lui sous tension dès que la batterie LiPo est connectée, mais comme non seulement il n’est pas équipé de ventilateur (à l’inverse des contrôleurs), mais qu’il est suffisamment bien conçu que pour ne pas envoyer la moindre tension au moteur tant qu’il ne reçoit pas un signal du récepteur, il n’y a aucun risque à craindre : tant que l’interrupteur au tableau de bord est sur OFF, les contrôleurs sont éteints (et leur ventilateur aussi), le récepteur est éteint (donc le variateur est en stand-by), et par conséquent aucun circuit n’est sous tension. La consommation dans cet état est uniquement celle du mode d’attente du variateur, ou... insignifiante.

Une remarque au sujet des "calculs" pour le choix des composants
J’ai l’habitude, lors des divers calculs pour choisir les moteurs, les contrôleurs, la batterie etc, de prendre une grande marge de sécurité. Mais pourquoi ? N’est-ce pas prendre aussi le risque de sur-dimensionner les équipements au détriment du prix ou du poids, par exemple ?

Oui et non.
Beaucoup de paramètres interviennent et expliquent les différences constatées entre le résultat "en pratique" (sur le terrain) et le résultat "en théorie" (calculé). Si je prends beaucoup de marge, j’ai de bonnes raisons, et pas de contre-indications. Explications :

1. La qualité de fabrication

Certains fabricants sont précis dans leurs caractéristiques, d’autres simplement optimistes, mais certains sont franchement fantaisistes voir farfelus. Il faut savoir lire entre les lignes, ou réfléchir un minimum ! L’exemple le plus frappant, vu sur ebay : un variateur 8,4 V 320 A à 12,50 € (oui, oui, trois cent vingt ampères), avec des câbles et des prises... qui fondraient déjà à 30 A...

Morceaux choisis des élucubrations du vendeur... ’Faut oser !

Hobby King dispose d’un tel choix qu’il est impossible de ne pas trouver un moteur ou un contrôleur Brushless ou une batterie adaptés à ce que l’on cherche. Mais il vaut mieux considérer que l’optimisme dont ils font preuve leur fait doubler les caractéristiques de performances de leurs produits : si la théorie me dit "30 A", je choisirai un "60 A" chez Hobby King...
Electronize est un de ceux qui sont précis : s’ils annoncent 30 A, vous pouvez tirer réellement 30 A en continu, sans aucune surchauffe. MFA aussi est particulièrement précis et réaliste dans les caractéristiques décrites de leurs produits.

Le constat est le même pour la puissance des moteurs ou la performance des batteries. A défaut "d’expérience" il faut recouper les informations glanées sur 5, 10 ou 20 forums ou sites pour se faire une idée de la "précision" des données du constructeur.
Par exemple, si j’ai besoin d’une batterie capable de sortir 30 A en continu en 12 V, je choisirai en Turnigy une LiPo 3S, 3000 mA 25C (et pas 10C), ou 5000 mA 15C ou 20C si le poids le permet.

2. Le prix

Il est parfois édifiant de comparer les prix d’une version plus performante d’un appareil : il n’y a parfois que 2 ou 3 euros d’écart entre un contrôleur 20 A et le même contrôleur 60 A par exemple.
-  Si la taille et le poids sont identiques, c’est louche !
-  S’il y a une petite différence, privilégier le 60 A est une évidence !

3. La fiabilité

Moins un élément est sollicité, plus il durera dans le temps !

Partant de cela, choisir trop juste n’est justifié que si le devis de poids à respecter est extrêmement contraignant. C’est très rarement le cas en modélisme naval si l’échelle est inférieur au 1/50e. Autant en profiter !

Quelques photos de détail

La position des modules sous le siège avant en cours de validation.

Vue globale sur la vérification de possibilité d’installer tous les éléments à la place prévue.
On voit que cela a été réalisé assez tôt dans la construction pour éviter des déboires avant qu’un retour en arrière ne soit plus possible...

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La construction est beaucoup plus avancée, l’intérieur est déjà peint (au pinceau).
A ce moment, je suis en train de vérifier la longueur des câbles à installer ainsi que le "chemin de câbles" pour fixer les différents circuits dans la voiture.

La même photo, vue de l’arrière de l’Amphicar.

1. Le module des feux STOP.
2. Le UBEC 9V pour l’alimentation des phares.
3. Les interrupteurs électroniques (phares et feux de navigation).
4. Emplacement du récepteur.
5. Le module corne de brume.

Tous les éléments trouvent leur place sous le coffre avant.
L’antenne du récepteur doit encore être correctement positionnée.

Même chose à l’arrière !
On voit bien, comme sur la photo précédente, le bornier de distribution de courant.

Vue sur le klaxon, composé de deux buzzers installés contre la face avant.
Les clignoteurs ne sont pas encore installés définitivement à ce moment, il le seront après la peinture extérieure.

On peut voir la séparation des courants faibles/forts : les petits fils électriques d’un côté, les cordons de commande des contrôleurs/variateur au centre, et les "gros câbles" d’alimentation de l’autre côté (au bas de l’image, mais masqués par le côté de l’Amphicar...).

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1. Les gros câbles d’alimentation électrique passent du côté gauche. Ils viennent du bornier avant, et alimentent le bornier arrière.
2. Les petits fils électriques et les cordons de commande passent du côté droit. Il sont regroupés dans une gaine thermorétractable noire pour les rendre quasi invisibles.
3. Les petits fils électriques passent sous le longeron droit du plancher (alors que les cordons de commande passent par le centre, notamment parce que deux d’entre eux alimentent les modules électroniques sous le siège).

Liens didactiques

Pour des schémas très clairs sur les raccordements des moteurs aux contrôleurs avec un BEC, c’est -ici-

Pour plus d’infos sur les LiPos si vous n’avez pas encore osé franchir le pas, c’est -ici-

Pour savoir ce qu’est, et à quoi sert un UBEC (ou un SBEC, variante plus performante), c’est -ici-

Prochain article : la peinture.