02. ШИМ переключатель (RC Switch)

Дорогой, читатель!
Во избежание недоразумений спешу уведомить, что знаю, что устройства аналогичные тем, которые я опишу ниже в этой подборке статей, можно купить в интернете. Также мне известно ещё, что делать их следует на микроконтроллерах, потому что - так технологично и коммерчески оправдано. Тем не менее я хочу рассмотреть несколько схем, собранных не на контроллерах, а на более простых элементах. Будем считать, что из-за любви к искусству.

Первая попытка собрать самостоятельно из подручной электроники шим-свич потерпела неудачу (см. предыдущую статью). Выручила из сложившейся ситуации смекалка и лишняя плата от сервопривода. Но, как говорится – осадочек остался. И я решил, уже задним числом, смастерить работающий переключатель. Сфера применения ключа достаточно широка и использовать его можно не только для переключения реле, но и (например) для включения фар на автомодели, дымовых трассеров на биплане, тифона на кораблике… В общем, есть где развернуться творчеству.

Источники знаний

Человек в радиоуправлении я неискушенный, но нашел пару понятных статей, от которых пошла "пляска".
* Статья 1: Исполнительные механизмы RC-аппаратуры
**Статья 2: PPM-кодер для RC-аппаратуры

Обо всём понемногу

На пульте радиоуправления со стиков (рычажков) и тумблеров формируется пакет сигналов, которые передаются по радио.

рис 1. Возможная схема радиоуправления

На приёмном устройстве этот пакет принимается и декодируется в ШИМ сигналы, которые распределяются по каналам управления сервоприводами. На моём приёмнике их шесть.

рис 2. Приемной устройство при более близком рассмотрении. Хорошо видны шесть ШИМ каналов для исполнительных устройств и вход для питания.

Как правило, для управления авиамоделью хватает четырех-пяти каналов, а для аэроглиссера хватает и трех. То есть, свободные каналы есть, и через них можно расширить функционал самоделки посредством RC-свичей.

Частота следования сигналов на канале - 50Гц. Ширина ступеньки сигнала - минимальная 5%(1мс), максимальная 10%(2мс). Это соответствует повороту сервопривода от 0° до 180° (от -90° до +90°).

рис 3. Схема взятая из интернета.

В реальности характеристики канального импульса могут немного отличаться, но в пределах допустимого. Для примера привожу показания со своего FS-iA6.

рис 4. Характеристики сигнала с шестого канала приёмнка FS-iA6.

Как-же мотор сервопривода понимает, на какой угол повернуть основную ось редуктора? В этом ему помогает схема, встроенная в один корпус с мотором.

рис 5. Фото из интернета. Видна схема, интегрированная в сервопривод, которая принимает канальный сигнал и формирует по нему управление двигателем сервопривода.

Блок-схема объясняющая работу такой платы была взята из первой статьи.

рис 6. Схема из статьи №1*.

На основе этой схемы я нарисовал свою.

Первый прототип

рис 7. Блок-схема переключалки

Принцип работы следующий:

1. Канальные импульсы подаются на входы Эталонного Одновибратора (ЭО) и на один из двух входов (вход-В) Цифрового Компаратора (ЦК).
2. ЭО формирует импульсы по длительности равные среднему арифметическому длительности максимального и минимального сигналов канальных импульсов ~7.5% (1.5мс), которые подаются на (вход-А (ЦК)).
3. ЦК сравнивает продолжительности сигналов (А) и (В) поданных на его вход:

• Когда сигнал с ЭО больше канального, на выходе (A<B) устанавливается логический ноль.
• ·Когда сигнал с ЭО меньше канального, с его (выхода A<B (ЦК)) начинают формироваться сигналы, равные разности сигналов на входе.

4. Далее импульсы с (выхода A<B (ЦК)) поступают на интегрирующий одновибратор (ИО). Его выходные импульсы по длительности немного больше тактовой частоты (50гц) канального сигнала, и поэтому, те короткие разностные импульсы, которые приходят на вход (ИО) формируют на выходе импульсы, которые скалываются в одну непрерывную долгую логическую единицу. Физически мы получаем напряжение включающее/выключающее Электронный Ключ (ЭК).

Со теорией я определился, оставалось определиться с элементами.

Здесь мне опять повезло. Схему первого одновибратора на базе CD4098B со всей обвязкой я взял из статьи №2.

рис 8. Схема одновибратора из статьи №2**.

Плюс микросхемы CD4098B был еще в том, что она содержала в себе два моновибратора. То есть, на одной микросхеме можно было собрать сразу (ЭО) и (ИО). Для (ЦК) подобрал четырехбитный компаратор - CD74HC85E, проще не нашел. Возможно вместо него можно приспособить D-триггер, но на данном этапе, это не принципиально. Для (ЭК) взял проверенную уже десятки раз схему ключа на базе мофетта AO4404.

рис 9. Первая работающая схема ШИМ-переключалки.

В электрическую схему прототипа во времязадающие цепочки одновибраторов (для удобства настройки) были включены переменные резисторы. Принципиальным было добавление конденсатора C 3. Без него сигнал с компаратора на интегрирующий одновибратор поступал слишком зашумленным, и схема работала нестабильно.

рис 10. Тестирование реальной модели. Мосфет и пара конденсаторов SMD расположены на обратной стороне платы. Поэтому на фото не видны.

Девайс оказался вполне рабочим, но на третий вечер испытаний выявился один досадный недостаток. В момент включения общего питания (в связке приёмник + девайс), порядка полсекунды на выходе схемы «светилась» логическая единица. Ролик посвященный этому моменту можно посмотреть по ссылке.

Если для управления реле реверса двигателя, это не так важно, то для активации дымового трассера, это большая проблема. И я решил доработать устройство, включив размыкающий транзистор в цепь после всех цифровых микросхем.

Что вышло из этого, будет описано в следующей статье.