В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с калильным зажиганием, применяемых в авиа-, авто- и судомоделизме [1-4], воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания происходит от установленной на головке цилиндра миниатюрной свечи с накаливаемой спиралью. В зависимости от типа свечи её спираль, изготовленная из жароупорной, как правило, платиноиридиевой проволоки, имеет сопротивление 0,5...2 Ом. Во время пуска двигателя на свечу подают посредством быстросъёмного контактного приспособления напряжение 1,5...3 В от внешнего источника электропитания, обеспечивающего разогрев спирали током 1...5 А до светло-красного цвета каления. После начала устойчивой работы двигателя источник электропитания от свечи отключают, спираль же свечи остаётся раскалённой благодаря высокой температуре газов в цилиндре двигателя.
Простейшие устройства для накала свечи модельных ДВС с калильным зажиганием - так называемые "накалы" [5], представляют собой подключаемый к свече цанговый зажим, конструктивно объединённый с отсеком для размещения автономного источника электропитания типоразмера AA - аккумулятора или гальванического элемента напряжением 1,2 В или 1,5 В соответственно.
Достоинства этих устройств - удобство и простота эксплуатации. Недостатки - отсутствие контроля тока накала свечи и возможности его регулирования, низкая стабильность тока накала, поскольку он существенно зависит от напряжения автономного источника электропитания, и, кроме того, это напряжение слишком мало для нормального накала спирали некоторых типов свечей.
Более сложные устройства для накала свечи модельных ДВС, кроме быстросъёмного контактного приспособления и источника электропитания - аккумуляторной батареи или батареи гальванических элементов напряжением 2...4 В, включают в себя реостат, регулирующий ток накала свечи, амперметр, контролирующий ток накала, и вольтметр, измеряющий напряжение на свече [1,3].
Поскольку для этих устройств подходящий низкоомный реостат промышленного исполнения трудно приобрести, его, как правило, изготавливают самостоятельно. Обычно для этого используют отрезок спирали от электроплитки, от которого посредством зажима "крокодил" делают отвод, при этом ток накала свечи регулируют, изменяя место подключения отвода [1,3]. Однако удобство эксплуатации, стабильность и надёжность работы устройств для накала свечи, в которых применяется реостат такой конструкции, оставляют желать лучшего.
Кроме того, автономные источники электропитания напряжением 2...4 В, пригодные по техническим характеристикам и условиям эксплуатации для накала свечи модельных ДВС, в частности, наиболее подходящие для этой цели серебряно-цинковые аккумуляторы [3], трудно приобрести или они слишком дороги. Поэтому в этих устройствах в качестве источника электропитания нередко применяют широко распространённую автомобильную аккумуляторную батарею (АКБ) с номинальным напряжением 12,6 В, при этом напряжение для накала свечи снимают с одного или с двух аккумуляторов, а полное напряжение батареи используют для питания стартёра, прокручивающего во время пуска коленчатый вал модельного ДВС [1,3].
Однако современные автомобильные АКБ, как правило, не имеют внешних токоотводов от отдельных аккумуляторов, поэтому в устройствах для накала свечи при использовании таких АКБ излишек напряжения гасят на реостате, что приводит к непроизводительным потерям электрической энергии. Например, при токе накала свечи 3...4 А и напряжении АКБ 12,6 В падение напряжения на реостате - около 10 В, а рассеиваемая на нём мощность - 30...40 Вт, что сопоставимо с мощностью электропаяльника.
От этого недостатка свободны устройства для накала свечи, предложенные в [6-10]. Устройство [6] формирует посредством интегрального широтно-импульсного преобразователя из напряжения 6...12 В внешнего источника электропитания стабилизированное напряжение 1,5...2 В, изменяя значение которого переменным резистором, управляющим работой интегрального преобразователя, регулируют ток накала свечи.
Устройства [7-10] питают свечу прямоугольными импульсами напряжения, амплитуда которых близка к напряжению 12,6 В источника электропитания. В этих устройствах накал свечи регулируют переменным резистором, изменяющим скважность или частоту выходных импульсов, формируемых встроенным генератором. Спираль свечи, питаемая импульсным напряжением, вследствие своей тепловой инерционности не успевает перегреться за время приложения напряжения источника электропитания и не успевает остыть в паузе между импульсами. В результате на свече, работающей как интегратор, усредняющий по времени подаваемое на спираль импульсное напряжение, поддерживается необходимый постоянный накал.
Устройство [6] имеет относительно узкий интервал регулирования тока накала свечи (1,5...3,5 A), что ограничивает число типов свечей, которые можно питать от этого устройства. Устройство [7] ненадёжно в работе, поскольку не защищено от замыкания в цепи нагрузки, выводящего его из строя. Накал свечи, питаемой от устройств [7, 8], существенно зависит от напряжения источника электропитания, что является недостатком, затрудняющим пуск двигателя. Кроме того, устройства [6-8] не обеспечивают безопасной эксплуатации свечи, поскольку, если в силу тех или иных причин их регулирующий элемент будет аварийно постоянно открыт, в цепь накала свечи поступит полное напряжение источника электропитания, в результате чего спираль свечи выйдет из строя.
От этих недостатков свободно устройство [9, 10], однако его схема относительно сложна. Предлагаю более простой вариант устройства для накала свечи модельных ДВС с калильным зажиганием. Оно выполнено на доступной элементной базе, легко в налаживании и стабильно в работе.
Основные технические характеристики
Напряжение питания, В...........7,4
Ток потребления (без подключения свечи), мА, не более ........................35
Интервал регулирования тока накала свечи, А, не менее.........................0...4
Рис. Схема устройства для накала свечи
Схема устройства для накала свечи представлена на рисунке. Основа устройства - стабилизатор напряжения - аналог регулируемого стабилитрона [11]. Этот стабилизатор включает в себя регулирующий элемент - транзистор VT1; измерительный элемент - делитель напряжения R5R6; регулируемый источник напряжения смещения - делитель напряжения R9-R11, фильтрующий конденсатор - C7; усилитель напряжения рассогласования - ОУ DA3, резисторы R7, R8; усилитель постоянного тока - транзисторы VT2, VT3, резисторы R12-R15; фильтрующий конденсатор C6. Интегральный стабилизатор напряжения DA1 формирует напряжение питания для этого функционального узла. Конденсаторы C1, C2, C4 - фильтрующие.
Микросхема DA2, резисторы R2-R4, защитный диод VD1 и фильтрующие конденсаторы C3, C5 образуют источник стабилизированного напряжения, питающий свечу EK1, которую подключают к устройству посредством быстросъёмного контактного приспособления X1.
Устройство работает так. После замыкания контактов выключателя SA1 загорается светодиод HL1, на вход интегральных стабилизаторов DA1, DA2 поступает напряжение источника электропитания 7,4 В, при этом на выходе каждого из них формируется напряжение 5 В.
Накаливающий свечу EK1 ток втекает в коллектор транзистора VT1 и создаёт на нём падение напряжения. Поскольку участок коллектор-эмиттер транзистора VT1 включён последовательно с делителем напряжения R5R6, соединённым выходом с инвертирующим входом ОУ DA3, повышение напряжения на коллекторе этого транзистора при увеличении втекающего в коллектор тока приводит к повышению напряжения на инвертирующем входе ОУ DA3. Выходное напряжение ОУ DA3, начальный уровень которого задан напряжением, поданным на неинвертирующий вход этого ОУ с выхода делителя напряжения R9-R11, уменьшается на значение, определяемое глубиной отрицательной обратной связи, охватывающей ОУ DA3 через резистор R7, при этом ток базы транзистора VT2, а следовательно, и ток коллектора транзистора VT3 увеличиваются. В результате ток базы транзистора VT1 возрастает, проводимость его участка коллектор-эмиттер повышается, вследствие чего напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT1 возвращается к первоначальному уровню. При уменьшении втекающего в коллектор транзистора VT1 тока стабилизатор напряжения работает аналогичным образом в противоположном направлении.
Регулируя переменным резистором R10 напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA3, изменяют выходное напряжение ОУ, при этом изменяется напряжение на коллекторе транзистора VT1, а следовательно, и напряжение на свече EK1, в результате чего изменяется ток, протекающий через свечу, и соответственно изменяется степень накала её спирали. Амперметр PA1 предназначен для измерения тока накала свечи EK1, плавкая вставка FU1 защищает свечу от перегрузки по току.
Прямосмещённый диод VD2 гасит излишек напряжения на свече EK1, ограничивая её максимальный ток накала на безопасном уровне при насыщении транзистора VT1. Если вследствие тех или иных причин напряжение на коллекторе транзистора VT1 превысит напряжение на выходе микросхемы DA2, диод VD2 закрывается, что предотвращает протекание тока в цепи накала свечи в обратном направлении.
Формирование напряжения питания свечи EK1 путём вычитания из фиксированного выходного напряжения микросхемы DA2 регулируемой суммы напряжений коллектор-эмиттер транзистора VT1 и диода VD2 позволяет, установив в соответствующее положение движок переменного резистора R10, регулировать ток накала свечи EK1 практически от нуля, избегая возможности выхода свечи из строя при броске тока через её спираль в момент включения устройства.
Монтаж устройства выполнен навесным способом на макетной плате. Интегральный стабилизатор напряжения DA2, транзистор VT1 и диод VD2 установлены на теплоотводах с площадью рассеивающей поверхности 100, 50 и 25 см2 соответственно. К свече от устройства идёт пара гибких изолированных медных проводов сечением 0,5 мм2 длиной 500...600 мм, оканчивающихся специальной конструкции [1, 3] быстросъёмным контактным приспособлением.
В устройстве применены танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53-16, конденсатор C6 - оксидный алюминиевый К50-35, керамические конденсаторы -К10-17-1а.
Вместо этих конденсаторов можно использовать импортные аналоги. Постоянные резисторы - С2-33, возможная замена - С2-23, МЛТ, ОМЛТ Регулировочный и подстроечный резисторы - СП4-1а и СП4-1в соответственно, их можно заменить другими подходящими.
Диоды КД212А, КД213А заменимы диодами этих же серий или подобными других серий. Светодиод АЛ307ГМ заменим другим, подходящим по цвету и яркости свечения.
Транзисторы КТ502Г,КТ814В, КТ819А допустимо заменить транзисторами этих же серий или других серий с аналогичными параметрами.
ОУ КР140УД1208 можно заменить на 140УД12, К140УД12 или КР140УД12, учитывая их различие в типе корпуса и назначении выводов. Микросхему КР1158ЕН5В можно заменить микросхемами этой же серии в ином конструктивном исполнении. Микросхема КР1195ЕН1А заменима импортным аналогом серии LT1083, вместо неё допустимо использовать микросхемы серий LT1084, LD1084.
Выключатель питания и плавкая вставка - любые подходящие по электрическим характеристикам и конструкции. Амперметр - М42300 стоком полного отклонения 5 А или другой аналогичный. Источник электропитания - LiPo АКБ Zippy Compact 5000 mAh 2S 25C. Можно использовать и другие АКБ, подходящие по электрическим характеристикам.
Налаживание устройства заключается в установке подстроечным резистором R4 на выводе 2 микросхемы DA2 напряжения 5 В. Регулируя переменным резистором R10 в рабочем интервале ток накала подключённой к устройству свечи EK1 (например, КС-2 [3]), наблюдают разогрев её спирали до светло-красного цвета каления. При необходимости пределы регулирования тока накала свечи EK1 корректируют подстроечным резистором R4.
Литература
1. Гаевский Ю. К. Авиамодельные двигатели. - М.: ДОСААФ, 1958, с. 7-14, 145- 149, 181-184.
2. Зуев В. П., Камышев Н. И., Бачурин М. Б., Голубев Ю. А. Модельные двигатели. - М.: Просвещение, 1973, с. 10-12, 43-51, 122-130.
3. Киселёв Б. А. Модели воздушного боя. - М.: ДОСААФ, 1981, с. 105-112.
4. Калина И. Двигатели для спортивного моделизма / Пер. с чешск. С. И. Грачёва. - М.: ДОСААФ, 1983, с. 86-90.
5. Накал для свечи Р/У модели. - URL: https://www.youtube.com/watch?v=cTVxT DCTCYY (31.08.21).
6. Карпунин И. В. Простой преобразователь напряжения для калильной свечи. - URL: http://www.avmodels.ru/articles/shim.html (31.08.21).
7. Ряховский О. С. Преобразователь напряжения для накала свечи. - URL: http:// www.rcdesign.ru/articles/electronics/ glow_driver (31.08.21).
8. Севастенков С. Устройство накала свечи от 12 В. - URL:http://shop. aviamodelka.ru/articlejnfo.php?articles_ id=80 (31.08.21).
9. Ильин О. Устройство для накала свечи микродвигателей внутреннего сгорания с калильным зажиганием. - Радио, 2017, № 6, с. 42-46.
10. Ильин О. П. Устройство для накала калильной свечи. - Патент РФ № 2660979, Бюл., 2018, № 20.
11. Ильин О. Стабилизация напряжения смещения. - Радиомир, 2012, № 12, с. 23-25.
Автор: О. Ильин, г. Казань