500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями

Глава 9 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Уже отмечалось преимущество применения в моделях двигателей серий ДПМ и ДПР. Практика показывает, что достаточно сложно приобрести такие двигатели, рассчитанные на напряжение питания шесть или двенадцать вольт. Значительно чаще встречаются экземпляры, работающие от 27 В. Такие двигатели имеют и свои преимущества.

Повышенное напряжение питания при той же мощности означает уменьшение потребляемого тока, что снижает требования к транзисторам выходных каскадов сервоприводов рулевых машинок и регуляторов хода. Кроме того, повышается КПД узлов управления двигателями, что экономит ограниченные энергетические ресурсы, имеющиеся на борту модели.

Схема, приведенная на рис. 9.1, представляет так называемый обратноходовый преобразователь с широтно-импульсной стабилизацией выходного напряжения.

Рис. 9.1. Принципиальная схема

При входном напряжении 4,5—12 В стабилизированное выходное напряжение может быть установлено любым в пределах 18–27 В, изменяясь не более чем на 0,1 В при увеличении тока нагрузки от 1 до 500 мА. КПД преобразователя с полной нагрузкой — 85 %.

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы. На входы 8, 9 элемента DD1.3 они поступают дифференцированными цепью C2R2R3, причем номиналы резисторов выбраны с таким расчетом, что постоянная составляющая напряжения в точке их соединения несколько превышает пороговый уровень U_п, при котором элемент DD1.3 изменяет свое состояние.

Отрицательные выбросы, пересекая порог, формируют на выходе элемента DD1.3 (вывод 10) короткие положительные импульсы. Последние заряжают конденсатор С5 через малое прямое сопротивление участка «база-эмиттер» транзистора VT2.

По окончании импульса левая (по схеме) обкладка конденсатора С5 оказывается соединенной с общим проводом, а напряжение, до которого зарядился конденсатор, — приложенным к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности, запирая его. Далее начинается перезарядка конденсатора С5 коллекторным током транзистора VT1.

Скорость этого процесса зависит от напряжения на базе VT1. Транзистор VT2 остается запертым, пока напряжение на его базе не достигнет приблизительно 0,8 В.

В результате на коллекторе VT2 и входах 12, 13 элемента DD1.4 формируются положительные импульсы, длительность которых зависит от режима работы транзистора VT1. Дважды инвертированные элементом DD1.4 и транзистором VT3 импульсы открывают силовой ключ — полевой транзистор VT4. Эпюры напряжения в упомянутых выше точках устройства приведены на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Напряжения в характерных точках

При открытом транзисторе VT4 ток в катушке индуктивности L1 нарастает по линейному закону. После запирания транзистора этот ток не прерывается и продолжает течь, спадая через диод VD1 и заряжая накопительный конденсатор С8. Установившееся напряжение на конденсаторе превышает напряжение питания во столько раз, во сколько время накопления энергии в магнитном поле катушки L1 (длительность положительных импульсов на затворе транзистора VT4, см. рис. 9.2) превышает время ее передачи в конденсатор С8 (длительность отрицательных импульсов там же).

Часть выходного напряжения с движка переменного резистора R14 подается на инвертирующий вход усилителя постоянного тока на ОУ DA2. На его неинвертирующий вход подано образцовое напряжение с резистивного делителя R4R5. Выходное напряжение ОУ, пропорциональное разности образцового и выходного (с учетом делителя R13R14) напряжения, поступает на базу транзистора VT1 и управляет длительностью импульсов, отпирающих транзистор VT4. Таким образом, образуется замкнутая цепь автоматического регулирования.

Если выходное напряжение снизилось (например в результате увеличения тока нагрузки), напряжение на инвертирующем входе ОУ уменьшится, а на его выходе — увеличится. В результате уменьшится эмиттерный ток транзистора VT1, протекающий через резистор R8, а это приведет к уменьшению и коллекторного тока транзистора. Конденсатор С5 будет перезаряжаться медленнее. Длительность открытого состояния транзистора VT4 возрастет, выходное напряжение преобразователя увеличится.

Напряжение питания основных узлов преобразователя стабилизировано интегральным стабилизатором DA1.

Устройство собрано на односторонней печатной плате размерами 70x55 мм, показанной на рис. 9.3. Подстроечный резистор R14 — СП3-38Б или РП1-63М. Остальные пассивные элементы — любого типа, подходящие по параметрам и габаритам.

Рис. 9.3. Печатная плата преобразователя

В качестве микросхемы DD1 кроме K561ЛA7 можно использовать K561TЛ1, прочие микросхемы серии К561 при напряжении питания 3 В работают неустойчиво. По той же причине не следует заменять микросхему К140УД608 (DA2) другими ОУ. Транзисторы VT2, VT3 могут быть любыми серий КТ315 или КТ3102, a VT1 — серий КТ361, КТ3107.

КПД преобразователя заметно падает с увеличением падений напряжения на диоде VD1 и на открытом транзисторе VT4. Последнее пропорционально приводимому в справочниках сопротивлению канала открытого транзистора. Поэтому, подбирая замены указанным транзистору и диоду, следует обращать особенное внимание на эти параметры. Напряжение отсечки полевого транзистора должно быть не более 4 В.

Амплитудное значение коммутируемого им тока в рассматриваемом случае значительно больше тока нагрузки, поэтому транзистор следует выбирать с допустимым током стока не менее 6 А. Если под нагрузкой транзистор VT4 заметно нагревается, его необходимо снабдить теплоотводом, место для которого на плате предусмотрено. Диод VD1 должен быть рассчитан на прямой ток не менее 10 А. Использованный в схеме КД2998В можно заменить на КД213А.

Катушка L1 индуктивностью 18–20 мкГн должна иметь малый магнитный поток рассеивания, поэтому для нее выбран броневой магнитопровод Б-26 из феррита М1500НМ. Обмотку из 5 витков жесткого изолированного провода диаметром 1,5–2 мм наматывают на оправке подходящего диаметра, сняв с оправки, защищают слоем изоляционной ленты и помещают в магнитопровод. Между его чашками необходим немагнитный зазор 0,2 мм.

Изоляционную прокладку соответствующей толщины укладывают между центральными кернами чашек. Это предотвращает их поломку при стягивании магнитопровода винтом. К плате катушку L1 крепят лежащей на боку, что позволяет немного уменьшить площадь платы. Выводы обмотки вставляют в соответствующие отверстия и припаивают к контактным площадкам.

Конденсаторы С7 и С9 показаны на схеме (см. рис. 9.1) и чертеже платы (см. рис. 9.3) штриховыми линиями. Обычно в них нет необходимости, но если транзистор VT4 сильно греется, а на осциллограмме напряжения на его затворе видны «паразитные» положительные импульсы в интервалах между основными, установка этих конденсаторов может помочь. Их емкость подбирают опытным путем.

Приступая к проверке собранного преобразователя, следует иметь в виду, что при выходном напряжении 27 В и токе нагрузки 0,5 А первичный источник питания напряжением 6 В должен быть рассчитан на ток не менее 2,5 А. Перед первым включением преобразователя движок потенциометра R14 должен находиться в среднем положении, в дальнейшем с его помощью устанавливают необходимое выходное напряжение.

Если преобразователь не работает, следует временно выпаять катушку L1 и, подав в выходную цепь напряжение +27 В от внешнего источника, добиться, чтобы форма сигналов в точках, указанных на рис. 9.2, соответствовала приведенной на этом рисунке. Период повторения импульсов задающего генератора устанавливают подборкой номинала резистора R1, а длительность положительных импульсов на затворе транзистора VT4 — переменным резистором R14.

Образцовое напряжение на неинвертирующем входе ОУ устанавливают следующим образом. При выпаянной катушке L1 базу транзистора VT1 временно отключают от выхода ОУ и соединяют с движком переменного резистора номиналом 47 кОм, один из крайних выводов которого соединяют с выходом интегрального стабилизатора DA1, а другой — с общим проводом.

Вновь введенным переменным резистором устанавливают длительность положительных импульсов на затворе VT4 равной 16 мс. Измеряют напряжение на базе транзистора VT1 и устанавливают такое же на входе 3 ОУ DA1, подбирая номинал резистора R5. Восстановив все соединения, переменным резистором R14 добиваются нужного напряжения на выходе преобразователя.

Еще более совершенный преобразователь напряжения описан в [20]. Его схема приведена на рис. 9.4. Преобразователь имеет КПД не хуже 90 %.

Рис. 9.4. Преобразователь напряжения

Трансформатор Т1 выполнен на двух склеенных кольцевых магнитопроводах К45х28х12 из феррита 2000НМ-17. Обе обмотки намотаны проводом МГТФ-0,75: первичная содержит 5 витков из восьми сложенных вместе проводников, ее разделяют на две части (по четыре проводника, соединенные параллельно) и конец одной соединяют с началом второй, сделав от места соединения вывод; вторичная обмотка содержит 13 витков в два провода.

Настройка сводится к установке частоты задающего генератора равной 80—100 кГц путем подбора конденсатора С3 или резистора R3.

При настройке маломощных передатчиков удобно пользоваться индикаторами напряженности поля. Это устройство не требует подсоединения к передатчику и поэтому не влияет на его работу. Традиционно индикатор представляет собой антенну (чаще всего, в виде короткого штыря), амплитудный детектор (выпрямитель РЧ напряжения) и стрелочный измеритель (как правило, микроамперметр).

Для повышения чувствительности индикатор делают активным, снабжая его усилителем РЧ до детектора или усилителем постоянного тока после детектора. В [21] предлагается конструкция более совершенного устройства на базе аналогового перемножителя К174ПС1. Принципиальная схема этого варианта приведена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Принципиальная схема

Входной сигнал, принятый антенной WA1, поступает на два входа микросхемы — выводы 8 и 11 (два других — выводы 7, 13 — соединяют по переменному току с общим проводом), и она осуществляет перемножение сигнала по принципу «сам на себя».

Если входной сигнал записать в виде

u(t) = U_m∙cos(ωt),

то на выходе микросхемы (выводы 2 и 3) будет сигнал

u_вых(t) = K∙U²∙cos²(ωt),

где К — коэффициент передачи микросхемы. Вспомнив школьный курс тригонометрии, это выражение можно преобразовать к виду

u_вых(t) = (K∙U²/2) — (K∙U²/2)∙cos(2ωt),

Таким образом, в выходном сигнале микросхемы присутствует постоянная составляющая и переменная составляющая удвоенной частоты. Постоянная составляющая пропорциональна квадрату входного напряжения, поэтому показания микроамперметра РА1, подключенного к выходу микросхемы, будут пропорциональны мощности сигнала, излучаемого передающей антенной. Переменная составляющая легко подавляется конденсатором С7. Диоды VD1, VD2 служат для защиты входных цепей микросхемы от мощных сигналов.

Питается устройство от батареи напряжением 9 В («Крона», «Корунд», «Ника») и потребляет ток примерно 1,5 мА. Работоспособность сохраняется при уменьшении напряжения питания до 6 В. Максимальный ток через микроамперметр РА1 ограничен резисторами R1, R2.

В устройстве можно применить практически любой малогабаритный стрелочный индикатор с током полного отклонения стрелки от 50 до 150 мкА. На частоте 28 МГц чувствительность устройства (минимальный регистрируемый сигнал) составляет 2–3 мВ.

Вместо указанной на схеме K174ПС4 допустимо применить микросхемы К174ПС1, К174ПС2. Диоды VD1, VD2 — типа КД510А, подойдут и КД522Б, КД503Б. Плата измерителя должна быть заключена в экранированный корпус.

Налаживания устройство не требует, но если будет применена другая микросхема, то придется подобрать резисторы (они должны быть одинаковых номиналов), чтобы на выходах микросхемы было напряжение, примерно равное половине напряжения источника питания. При необходимости балансировку прибора (нулевые показания микроамперметра РА1 в отсутствие сигнала на входе устройства) можно произвести подбором резистора R1 или резистора R2.

При желании индикатор можно сделать избирательным, установив на его входе перестраиваемый LC-контур.

Его же можно использовать как достаточно точный измеритель мощности для передатчиков, рассчитанных на подключение пятидесятиомной нагрузки. Вместо антенны в этом случае устанавливается разъем СР-50, через который с помощью коаксиального кабеля устройство подключается к выходу передатчика. Вход измерителя дорабатывается так, как это показано на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Входная цепь для измерителя мощности

Резистор R1 служит эквивалентом антенны, поэтому его мощность рассеивания должна быть не менее выходной мощности передатчика. Его можно, при необходимости, набрать из соединенных параллельно маломощных резисторов. Для исключения высокочастотных наводок непосредственно на резисторы делителя R2, R3 все три резистора должны быть размещены в отдельных экранированных секциях.

Для калибровки измерителя на его вход необходимо подать сигнал от какого либо источника высокочастотного напряжения (примерно 27 МГц) с заведомо известной мощностью, например Р1. Поскольку стрелка выходного микроамперметра отклоняется пропорционально квадрату входного напряжения, то для мощности шкала является линейной. В этом случае достаточно откалибровать ее в одной точке. Подбором величины резистора R3 необходимо вывести стрелку микроамперметра на деление, соответствующее мощности Р1.

Все описанные выше варианты схем пропорциональной управления работают со стандартными канальными импульсами. Такие импульсы имеют исходное значение длительности, соответствующее нулевой величине команды, равное 1,5 мс. При отклонении ручек управления в крайние положения она меняется на ±0,5 мс. Стандартный период повторения канальных импульсов выбирается равным 20 мс. Схема устройства, формирующей импульсы с указанными параметрами, приведена на рис. 9.7. Она полностью повторяет фрагмент шифратора, описанного в разделе 2.3.6, поэтому принцип действия и процедура настройки здесь не приводятся.

Печатную плату так же можно взять из упомянутого параграфа, удалив лишние фрагменты.

Выход схемы подключается непосредственно к входу настраиваемой рулевой машинки или регулятора хода. Предварительно потенциометром R8 устанавливается требуемая амплитуда выходных импульсов (3 или 5 В в зависимости от варианта настраиваемого устройства).

Рис. 9.7. Принципиальная схема устройства

Если в модели используются малогабаритные цилиндрические аккумуляторы, ассортимент которых в торговой сети достаточно широк, то они обычно продаются наборами, в которые входят и штатные зарядные устройства.

Для тех типов аккумуляторов, которые рекомендуется заряжать постоянным током, можно рекомендовать зарядное устройство, схема которого приведена на рис. 9.8. Устройство, по сути, представляет собой регулируемый стабилизатор тока, величина которого устанавливается переменным резистором R6.

Рис. 9.8. Зарядное устройство

Зарядный ток и величина этого резистора связаны выражением R6 = 1,25/I_зар — 2,5. Максимальный ток заряда ограничивается резистором R7 и равен 0,5 А. Минимальный ток заряда — 10 мА.

Потенциометром R2 устанавливается конечное напряжение заряжаемого аккумулятора. При достижении этой величины напряжение на выводе 3 DA3 превышает опорное, на выходе операционного усилителя возникает положительный скачек напряжения, приводящий к отпиранию транзистора VT1. Срабатывает реле К1, отключая аккумулятор от зарядного устройства. Одновременно загорается светодиод VD2, сигнализируя об окончании зарядки. Напряжение окончания зарядки зависит от типа аккумулятора и устанавливается потенциометром R2 в пределах 3,5—13,5 В.

Микросхему SD1084 можно заменить отечественной КР142ЕН12. Ручки потенциометров R2 и R6 выводятся на переднюю стенку корпуса зарядного устройства и градуируются. Входное напряжение подается на зарядное устройство от любого источника постоянного тока напряжением 15–27 В, рассчитанного на ток нагрузки не менее 0,5 А.

Если же на модель устанавливаются необслуживаемые герметичные гелево-кислотные аккумуляторы, упоминавшиеся в разделе 8.1, то можно воспользоваться схемой, приведенной в [22]. Такие аккумуляторы заряжают по следующей методике. Сначала на разряженный аккумулятор подается номинальный ток заряда, приводимый для каждого типа в документации или непосредственно на корпусе. Например для выбранного в разделе 8.1 аккумулятора номинальный ток заряда обозначен на корпусе и равен 0,39 А.

По мере заряда напряжение на аккумуляторе растет, а ток остается неизменным. При достижении напряжением определенного порога (его рекомендованное значение также указывается на корпусе) дальнейший его рост необходимо ограничить. При этом зарядный ток начинает снижаться. К моменту окончания зарядки зарядный ток становится равным току саморазряда, и в этом состоянии аккумулятор может находиться в зарядном устройстве сколь угодно долго без перезаряда.

Принципиальная схема зарядного устройства изображена на рис. 9.9. Основу ее составляет специализированная микросхема L20 °CV. Микросхема содержит последовательно включенные стабилизатор тока и стабилизатор напряжения. Величина стабилизируемого тока, который необходимо выбирать равным номинальному значению для каждого типа аккумуляторов, определяется резисторами R1—R5. Расчет номинала резистора в омах производится по формуле R = 0,45/I_{зар. ном}, где ток подставляется в амперах. Номинальные напряжения зарядки устанавливаются подстроенными резисторами R7 и R8.

Аналогичное зарядное устройство можно собрать на двух микросхемах SD1084 (КР142ЕН12, КР142ЕН22). На первой необходимо реализовать стабилизатор тока по схеме, аналогичной изображенной на рис. 9.8. На второй собирается стабилизатор напряжения по стандартной схеме включения.

Зарядные устройства целесообразно монтировать в моделях автомобилей, снабдив их разъемом для подключения внешнего источника питания.

Рис. 9.9. Зарядное устройство для гелево-кислотных аккумуляторов