|
Большинство калильных свечей, применяемых на модельных двигателях, не зависимо от того, какая это свеча - горячая или холодная, рассчитаны на подогрев напряжением 1,2-1,5 В, и потребляют в нормальных условиях ток порядка 3 А. Это значит, что электрическое сопротивление спирали любой свечи равно примерно 0,4-0,5 Ома.
Мощность, потребляемая свечей, может достигать 5-6 Вт, при максимальном накальном токе ~4 А. При этом спираль свечи еще может передать в окружающее пространство все джоулево тепло, которое на ней выделяется. Превышение потребляемого тока величины 4 А обычно приводит к перегоранию спирали свечи, и выход ее из строя.
Исходя из этих параметров будем рассчитывать ШИМ-преобразователь. В принципе, для такой инерционной нагрузки, как калильная свеча, достаточно просто изменять скважность импульсного тока, коммутируя его с любой частотой выше 50-100 Гц (по такому принципу построены преобразователи практически во всех PowerPanel-ях). В этом случае напряжение источника питания может быть достаточно велико - до 20-30 вольт, главное, чтобы средний ток спирали не превысил указанное выше значение. Но в целях повышения КПД будет целесообразно применить схему так называемого <прямоходового> понижающего преобразователя, в которую наряду с ключевым элементом (на схеме - транзистор Т2) входит две реактивности: индуктивность (L1) и емкость (С7), и быстродействующий диод Шоттки (D1 - на схеме изображен как обычный диод), выполняющих роль автоматического коммутатора обратного тока. В то время, когда коммутирующий ключ Т2 преобразователя открыт, и на спираль свечи подается напряжение источника питания, индуктивность L1 накапливает в себе некоторое количество энергии. После закрытия коммутирующего ключа эта запасенная в индуктивности энергия подается через диод D1 в нагрузку (свечу). При частотах ШИМ-коммутации в несколько десятков килогерц величины индуктивности и емкости (а следовательно, и их габариты) оказываются не велики. Простейший расчет показывает, что для оптимальной работы преобразователя на частоте 100 кГц и максимальном токе в нагрузке 4 А вполне достаточно индуктивности величиной всего 5 мкГ и емкости около 100 мкф. Эти величины обеспечат пульсацию тока в нагрузке не более 0,02 вольта при токе 4 А.
Схема драйвера подкала свечи, построенная по описанному выше принципу приведена на рисунке.
Один из вариантов схемы подкала свечи с управлением микроконтроллером
Управляет работой устройства микроконтроллер ATtiny15, на вход которого (вывод 7) подается стандартный импульсный РРМ-сигнал с одного из каналов приемника. Контроллер измеряет канальный импульс, и в зависимости от его длительности осуществляет регулировку тока свечи. Измерение тока осуществляется ЦАП-ом микроконтроллера путем дифференциального контроля напряжения на токовом шунте (на схеме - R11) с использованием операционного усилителя ОР1. Такое решение, при некотором усложнении схемы, позволило ввести в ШИМ-преобразователь обратную связь, в результате чего ток свечи поддерживается постоянным независимо от напряжения силового питания драйвера, которое может быть в пределах от 3-х до 10-и вольт.
Изменение тока свечи в зависимости от оборотов двигателя (точнее - от положения дроссельной заслонки карбюратора, или от длительности канального импульса) осуществляется контроллером - на самых малых оборотах (длительность импульса >1,9 мс) на свечу подается максимальный ток ~3,5 А, затем, с уменьшением длительности импульса ток свечи снижается тремя ступенями (~ 3,2 - 2,9 - 2,6 А), и при длительности импульса менее 1,45 мс (средние обороты), питание подогрева свечи отключается. Такой принцип управления подогревом свечи позволяет примерно в 5-7 раз увеличить время работы источника питания, без увеличения его емкости.
Одновременно с регулировкой тока свечи контроллер индицирует текущий режим работы: при отключенном питании свечи светодиод не светится, при токе 2,6 А светодиод однократно мигает с частотой примерно 1,2 с, при увеличении тока количество вспышек светодиода увеличивается последовательно до 2-х, 3-х, и 4-х с той же частотой, а при максимальном токе светодиод светится постоянно. При перегорании свечи светодиод выключен не зависимо от положения ручки управления дросселем. При коротком замыкании в цепи свечи преобразователь отключает подачу напряжения. При отсутствии или пропадании PPM-сигнала светодиод или светится постоянно, или отключается (это зависит от того, в какой момент индикации произошло пропадание сигнала).
В качестве сервисной опции устройство содержит выключатель S1 (обычный джампер от вычислительной техники), с помощью которого можно <сдвинуть> рабочие токи примерно на 10% в сторону увеличения или уменьшения. Думаю, подобная опция будет не лишней при изменении погодных условий (я назвал этот переключатель <Зима-Лето>).
Питается устройство от двух источников - напряжение питания 4,8 вольта на контроллер и операционный усилитель подается по стандартному трехжильному кабелю от приемника. Схема содержит Low Dropout стабилизатор на микросхеме LM2931 (или аналогичный), с выходным напряжением 3,3 вольта.
Силовые цепи на схеме изображены толстыми линиями. Собственно преобразователь напряжения для подогрева свечи питается от отдельной батареи или аккумулятора, напряжение которого может быть любым в диапазоне от 3-х до 10 вольт. Оптимальным вариантом, как мне кажется, будет четырехбаночный NiCd или двухбаночный LiPo аккумулятор. В этом случае для их зарядки можно будет использовать стандартное зарядное устройство. Емкости аккумулятора вполне достаточно порядка 1,0-2,0 А/час. Такая батарейка гарантировано проработает без подзарядки не менее трех-четырех часов.
В схеме применены стандартные комплектующие. Большинство из них имеют SMD-конструктив, и только дроссель и электролитические конденсаторы обычные, предназначенные для <дырочного> монтажа. Токовый шунт (R11) состоит из нескольких обычных SMD-резисторов, включенных параллельно. При типоразмере резисторов 0805 их должно быть не менее 5-7 штук, в этом случае мощность рассеиваемая каждым резистором не превысит допустимую. Общее сопротивление шунта - 0,05 Ом. Если применить резисторы номиналом 0,5 Ом, то их следует включить 10 штук параллельно, это не займет много места на печатной плате.
Подбором резистора R5 (560 кОм) можно в значительной степени изменить пороговые значения тока свечи. При необходимости можно даже заменить этот резистор на последовательную цепочку, состоящую из постоянного резистора 300 кОм и подстроечного резистора 510 кОм.
Транзистор Т1, так называемый <цифровой>, у него есть два внутренних резистора в базовой цепи, служит для согласования уровней между выходом микроконтроллера и затворной цепью MOSFET-ключа на Т2.
Дроссель можно намотать на ферритовом кольце марки НМ2000 типоразмера К15х9х5 (или близкого размера). Учитывая, что величина индуктивности не критична, будет достаточно всего двух-трех витков провода сечением не менее 0,6 мм2. Лучше всего намотать индуктивность в несколько параллельных проводников меньшего сечения (трех-четырех проводников диаметром 0,5-0,6 мм будет вполне достаточно), равномерно распределив их по всей окружности кольца. Можно поступить еще проще - намотать 10-12 витков провода диаметром ~0,9 мм на кусочке круглого ферритового стержня диаметром 5-10 мм и длиной ~15 мм. Такой дроссель будет работать даже лучше - магнитный материал стержня не будет перенасыщаться, чего нельзя исключить в случае применения кольцевого сердечника. Но самым оптимальным вариантом будет использование готового дросселя от любой материнской платы компьютера - на любой современной плате их бывает установлено не менее 3-5 штук.
Провод питания свечи желательно использовать экранированный, в термостойкой силиконовой изоляции, сечение его должно быть не менее 1 мм?. Провод обязательно должен быть очень <мягкий> (гибкий). Экранирующую <плетенку> следует соединить непосредственно с головкой двигателя (сделать лепесток под один из винтов, крепящих головку), а не прикручивать ее в крепежной лапке картера.
Вариант драйвера подкала в <большом> формате (20х24 мм).
С обратной стороны платы только стабилизатор напряжения в корпусе ТО92.
Настройка и управление устройством осуществляется с передатчика. Для его полноценной работы потребуется отдельный канал управления, который следует оснастить трехпозиционным переключателем (возможно - сдвоенным, это будет зависеть от конкретного типа аппаратуры управления).
В одном их крайних положений тумблера (<Питание свечи выключено>) следует установить минимальную длительность канального импульса (1 мс). В другом крайнем положении (<Полный накал свечи>) длительность импульса устанавливается равной 2 мс (максимальная длительность). В среднем положении (<Полетный режим>) должен включаться микшер, подмешивающий сигнал из канала управления газом двигателя. Подбором коэффициентов микширования и <растяжки> сигнала канала газа можно настроить <под себя> различные варианты работы устройства. Впрочем, любой моделист, имеющий компьютерную аппаратуру радиоуправления разберется с этим самостоятельно.
Все права на статьи принадлежат И.В. Карпунину (aka Glider).
|
