Исполнительные устройства - основные узлы аппаратуры дистанционного управления
Сигналы на выходе дешифраторов дискретной аппаратуры могут быть двух типов. Либо это высокий потенциал, сохраняющийся только на время нажатия соответствующей кнопки управления на пульте передатчика, либо высокий потенциал, сохраняющийся длительное время до повторного нажатия командной кнопки. Исполнительные устройства в обоих случаях представляют собой, как правило, электромеханические либо электронные реле.
Принципиальная схема
Поскольку выходной ток микросхем КМОП-серии, на которых собираются дешифраторы, невелик, для управления электромеханическими реле используются транзисторные усилители тока. Возможный вариант простейшего исполнительного устройства приведен на рис. 7.1, а.
Электронный ключ VT1 обеспечивает срабатывание электромагнитного реле К1. Контакты реле (на рисунке не показаны) осуществляют необходимые коммутации нагрузки.
Диод VD1 служит для разряда электромагнитной энергии, накапливающейся в обмотке реле при протекании в ней тока. После закрывания электронного ключа этот ток ответвляется в диод, рассеивая энергию на нем и обмотке за счет их нагревания. В противном случае на обмотке бы возникала ЭДС самоиндукции значительной величины, что могло бы выводить транзистор из строя.
На рис. 7.1, б изображен улучшенный вариант этой же схемы. Дело в том, что для срабатывания электромеханического реле требуется значительно больший ток, чем для последующего удержания его в замкнутом состоянии. Например для реле РЭС15 с паспортом РС4591003 эти токи равны 21 и 5 мА соответственно. Следовательно, после срабатывания реле ток через его обмотку можно уменьшать, что позволит экономить энергию бортового источника питания. Эти соображения и положены в основу работы второго варианта схемы.
При открывании транзистора VT2 начинает протекать зарядный ток конденсатора С1, определяющийся в основном резистором R2. Его величина выбрана таким образом, чтобы транзистор VT1 переходил в насыщение. Его коллекторного тока достаточно для срабатывания реле К1. По окончании заряда С1 транзистор VT1 закрывается, и ток через обмотку реле будет определяться суммой ее сопротивления и сопротивления резистора R4. Величину последнего подбирают таковой, чтобы ток через обмотку составлял 1,2—1,3 от паспортного значения тока отпускания используемого реле.
После снятия входного сигнала конденсатор С1 разряжается через обмотку реле и последовательно соединенные резисторы R4, R3, R2.
В качестве VT1 и VT2 рассмотренных схем можно использовать любые маломощные транзисторы структуры п-р-п, например КТ315, КТ3102. Демпфирующие диоды должны выдерживать ток, не менее тока срабатывания используемого реле. В большинстве случаев можно обойтись диодами типа КД521, КД522.
Электронные реле отличаются от рассмотренных тем, что вместо электромеханических реле в коллекторную цепь непосредственно включается коммутируемая нагрузка, например электродвигатели. К транзисторам электронного ключа при этом предъявляются повышенные требования. Их максимально допустимый коллекторный ток должен быть не менее тока, потребляемого нагрузкой.
Кроме того, для повышения коэффициента использования питающего напряжения, сопротивление транзистора в открытом состоянии должно быть как можно меньшим. Тяговые двигатели моделей средних размеров могут потреблять токи до 3—5 А. Памятуя о том, что выходные токи дешифраторов не превышают единицы миллиампер, необходимо использовать в качестве электронных ключей составные транзисторы, имеющие коэффициент усиления по току 750—1500.
На рис. 7.2 приведены две практические схемы электронных реле.
Первый вариант (рис. 7.2, а) подразумевает использование составного транзистора типа КТ829(А—Г), имеющего максимально допустимый ток коллектора 8 А и коэффициент усиления по току не менее 750. Сопротивление участка «коллектор-эмит-тер» у него равно 0,6 Ом. Очень выгодно по этому параметру отличается транзистор КТ863А, имеющий сопротивление насыщения всего 0,06 Ом. Однако его коэффициент усиления по току не превышает 100. Для нормальной работы с дешифраторами, собранными на микросхемах КМОП-серии, такой транзистор необходимо включить по схеме, приведенной на рис. 7.2, б. В качестве транзистора VT2 можно использовать КТ315, КТ3102 и им подобные.
Еще заманчивее применение полевых транзисторов с изолированным затвором, номенклатура которых достаточно широка. Их стоковые токи достигают десятков ампер при сопротивлении насыщения в сотые доли ома.
Для обеспечения реверса исполнительного двигателя используют мостовые схемы управления. На рис. 7.3 приведен вариант такой схемы на биполярных транзисторах. При подаче высокого потенциала (+5 В) на вход «вправо» открывается транзистор VT1, и протекающий через него ток открывает транзисторы VT3 и VT6. Последние переходят в режим насыщения, обеспечивая подачу питающего напряжения на двигатель Ml. Ток через двигатель протекает, по схеме, слева направо.
При подаче высокого потенциала на вход «влево» происходит переключение направления вращения двигателя. При отсутствии входных сигналов все транзисторы заперты, и ток, потребляемый схемой, пренебрежимо мал.
Дроссели Др1, Др2 и конденсатор С1 служат для подавления помех, создаваемых искрящим коллектором двигателя Ml. Дроссели могут быть самодельными. Для их изготовления необходимо намотать по 15 витков провода диаметром 0,25 мм на кольцах с внешним диаметром 7—10 мм из феррита любой марки. Номиналы резисторов указаны для питающего напряжения 6 В. При повышении напряжения необходимо пропорционально ему увеличивать сопротивления всех резисторов, кроме Rl—R4. Схема рассчитана на применение двигателей с током потребления до 8 А. Для менее мощных двигателей, потребляющих ток не более 1—2 А, в мостовом каскаде можно применить транзисторы КТ816 на месте VT3, VT5 и КТ817 на месте VT4, VT6.
Еще удобнее использовать комплементарную пару полевых транзисторов, включив их так, как показано на рис. 7.4, а. Управляющие сигналы должны иметь амплитуду, равную напряжению питания. Работает схема следующим образом. При отсутствии входных сигналов затворы транзисторов VT1, VT3 соединены с корпусом. Поскольку их истоки подключены к плюсу источника питания, это равносильно подаче на затвор отрицательного напряжения, открывающего транзисторы с каналом р-типа.
Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа, и поэтому подключение их затворов к корпусу обеспечивает им запертое состояние. Двигатель обесточен.
Подача положительного напряжения, например на вход «вправо», закрывает транзистор VT3 и отпирает VT4. Через двигатель протекает ток снизу вверх. При подаче положительного напряжения на вход «влево» открытыми окажутся транзисторы VT2, VT3, и двигатель будет вращаться в обратную сторону. Диоды VD1—VD4 обеспечивают протекание тока самоиндукции, который возникает в обмотках двигателя при отключении входных сигналов.
Полевые транзисторы должны быть обязательно с индуцированными каналами. У таких транзисторов выходной ток начинает протекать при достижении напряжения на затворе некоторой определенной величины. Чтобы в транзисторах не возникали сквозные токи, напряжение отпирания должно быть больше половины напряжения питания.
На рис. 7.4, б приведена реальная схема, реализованная на двух микросборках DAI, DA2, содержащих комплементарные пары полевых транзисторов с изолированными затворами. Транзисторы имеют следующие характеристики:
- максимальный ток стока — 2 А;
- максимальное напряжение «исток-сток» — 25 В;
- сопротивление канала в открытом состоянии — не более 0,15 Ом;
- отпирающее напряжение на затворе — 3 В.
Очень удобно для реверсивного управления двигателями использовать специализированные микросхемы драйверов. В этом случае полностью отсутствуют навесные детали, за исключением элементов искрогашения двигателя. Номенклатура таких микросхем весьма широка. Основные типы и характеристики можно посмотреть, например в [17]. На рис. 7.5 приведена схема исполнительного устройства на микросхеме ВА6229.
Драйвер имеет широкий диапазон питающих напряжений 8— 23 В, максимальный выходной ток — 1,2 А, встроенную защиту от перегрузок. Вход микросхемы совместим с уровнями ТТЛ. Можно использовать микросхемы, совместимые с уровнями КМОП, например ВА6209 и многие другие. В каждом случае драйвер нужно включать по рекомендованной схеме, приводимой в справочниках.
Логика работы всех микросхем одинакова. При нулевых потенциалах на обоих входах напряжение на двигатель не подается (режим холостого хода). При подаче единичного уровня на один из входов двигатель вращается в соответствующую сторону. Очень полезен режим электрического торможения двигателя путем короткого замыкания его роторной обмотки. Включается этот режим подачей единичных уровней на оба входа драйвера.
Печатные платы рассмотренных устройств не приводятся ввиду простоты их самостоятельного изготовления.
Днищенко В. А. 500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями. СПб.: Наука и техника, 2007. — 464 е.: ил.