CN101418767B - 机载型航空模型电热式发动机智能点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载型航空模型电热式发动机智能点火装置，由DC/DC开关电源模块及其外围电路组成，通过对开关电源模块输出电压、输出电流等电气指标地改进，外围电路采用简捷的非典型接法。(1)监测及工作状态指示电路：开关电源模块输入端(1、2)之间由ab跳线和电容C₁组成的支路；输出端(2、3)之间由发光二极管D₄、开关AN和负载R₀组成的支路；输出端(3)连接的发光二极管D₃和硅二极管D₂组成的支路；肖特基二极管D₁组成的支路。(2)并联在电阻R₃两端的电阻R₂和电位器W组成输出电压调节电路。本发明优点：逻辑显示点火装置和电热塞的运行状态，使电热塞始终处于最佳工作状态，彻底解决了发动机油路与电路相互牵扯的顽症，实现了轻量化，使发动机点火启动更加方便可靠。

Description

机载型航空模型电热式发动机智能点火装置

技术领域

本发明属于航模中的电热式发动机技术领域，具体涉及一种机载型航空模型电热式发动机智能点火装置。

背景技术

航模电热式发动机点火启动用的点火装置性能优劣与否，它直接关系着发动机能否顺利地启动。随着技术的进步，航模电热式发动机的点火装置已历经锰锌电池、甲电池、单隔铅酸蓄电池、镍镉充电电池和串联式稳压电源等多种形式。

目前，用于航模发动机启动的点火装置，如：点火器(俗称：手榴弹)比较流行，但点火器内置电池容量不足或性能低劣等问题，多数是导致航模电热式发动机不能正常点火启动的一个重要原因，尤其是对那些初涉航模电热式发动机的爱好者们，如何顺利点火启动航模发动机已经是航空模型入门成败之关键。

近年来，利用电子技术研发的开关电源点火装置也有推出，如：APEX牌是香港产的一款工具型电热塞开关式点火电源，它在技术上一改过去多使用串联式稳压电源效率低下的状况。但这款工具型的点火装置带负载后的稳压性能有些欠佳，当使用不同热度的电热塞时，欲获得比较理想的工作电压，有时需要借助万用表进行调整，并且电路中没有设计供电电源欠压、输出过载等保护电路，点火电源的安全与否全部维系在并不十分可靠的外置式保险丝上。另外，这款点火装置不具备自动检测、工作状态指示等功能，电热塞是否工作在正常状态无法识别，导致航模发动机不能正常启动的原因无法准确判断。因而航模发动机点火启动困难，一时搞不清楚何故障在，仍然不能避免将电热塞从航模发动机上拆下来反复检查、测试电热塞、点火装置或供电电源等性能是否正常等烦琐过程。

《航空模型》杂志2003年第4期刊登一篇名为“KGD—4A12型热火头开关式稳压电源”文章中推荐了一种适用于各级别航模电热式发动机点火启动装置。它是在总结国内、外各个时期各种点火装置的基础上，保留了以往种种点火装置的优点，比较好地解决了电热塞用充电电池供电工作欠佳，且镍镉充电电池充、放电操作繁杂，以及其它类型航模发动机点火装置存在的多种问题，打破了点火装置在性能和使用等方面长期故有的局面。但经过外场使用得知，这款点火装置的自动检测和工作状态指示等功能不够完善，电热塞是否正常工作只能间接判断，因而航模发动机不能正常启动，其故障所在仍然难于准确判断。

发明内容

本发明的目的就是为了解决已有航模发动机点火装置缺乏自动检测和工作状态指示，以及结构过于简单而导致难于点火启动的缺陷，提供的一种电热式发动机智能点火装置，彻底扭转多年来航模电热式发动机凭经验或盲地操作的落后格局。

本发明采用的技术方案如下：

一种机载型航空模型电热式发动机智能点火装置，包括：DC-DC开关电源模块和相连的供电电源以及负载。

其特征在于包括：与DC-DC开关电源模块相连的监测及状态指示电路，该电路对负载进行监测及工作状态进行指示；与DC-DC开关电源模块相连的输出电压调节电路；设置在供电电源与监测及工作状态指示电路之间的电源极性识别电路。

根据上述基本方案，更进一步的技术方案是：

(1)、所述的监测及工作状态指示电路包括：DC/DC开关电源模块输入端之间由ab跳线和电容C₁组成的支路；DC/DC开关电源模块输出端之间由发光二极管D₄和负载R₀组成的支路，发光二极管D₄两端并联一个按键开关AN；DC/DC开关电源模块输出端与供电电源DC负极之间由发光二极管D₃和硅二极管D₂组成的支路；硅二极管D₂和ab跳线之间串接一只肖特基二极管D₁组成的支路。

所述的ab跳线为设置在本发明电路板中的一段导电线路，它的特殊性将在实施例中加以描述。

(2)、所述的输出电压调节电路是并接在DC/DC开关电源模块中的电阻R₃两端的，由电阻R₂和电位器W组成的支路。

(3)、所述的电源极性识别电路由串联在供电电源和ab跳线之间的肖特基二极管D₁组成。

本发明的优点：

(1)利用普通电子元器件和简捷有效的电路，解决了自动监测和测试结果显示等技术难题，使模型发动机上的电热塞在整个点火启动过程中，可实施在线自动甄别电热塞性能是正常、是断路、还是短路，并能干脆利落地逻辑显示点火装置和电热塞的运行状态；

(2)点火装置具有供电电源极性识别、电源阈值自动锁定、输出端过载、短路等多种自动保护电路；

(3)支持大电流、连续放电，供电电源电压适应范围宽；

(4)具有体积小、重量轻的特点(重量≤35g)，符合航模机载设备配置的要求，可成为航模设备中的一个标准配置；

(5)既适合于二冲程航模电热式发动机，也适合在点火电力相对较高的四冲程航模发动机上使用。

附图说明

图1是本发明的工作原理方框图；

图2是本发明电路工作原理图；

图3为特殊电路ab跳线的四种跳线形状示意图；

图4是本发明实施例所采用的YDS-305DC/DC开关电源模块组成的点火装置的电路图。

具体实施方式

本发明的工作原理方框图如图1的所示，本发明的组成以DC/DC开关电源模块为核心，其外围连接有：监测及工作状态指示电路，输出电压调节电路，电源极性识别电路，供电电源以及负载R₀。

本发明的具体实施方式如图2所示，以非隔离型YDS-305DC/DC开关电源模块为核心(其中含有脉冲宽度调制器，型号为：MB3759)，DC/DC开关电源模块的外围设置了以下电路：

(1)监测及工作状态指示电路，它包括：

DC/DC开关电源模块输入端1、2之间由ab跳线和电容C₁组成的支路；

DC/DC开关电源模块输出端2、3之间由发光二极管D₄、发光二极管D₄两端并联的按键开关AN和负载R₀组成的支路；

DC/DC开关电源模块输出端3与供电电源DC负极之间由发光二极管D₃和硅二极管D₂组成的支路；硅二极管D₂和ab跳线之间串接的肖特基二极管D₁组成的支路。

(2)输出电压调节电路：并联在DC/DC开关电源模块中的电阻R₃两端的，由电阻R₂和电位器W组成的支路。

(3)电源极性识别电路：串接于供电电源和ab跳线之间的肖特基二极管D₁组成。

(4)本发明技术方案中还包括：在DC/DC开关电源模块中的限流取样电阻R₁₇的两端直接并联1只金属膜电阻R₁₈(0.22Ω/1W)，以降低限流取样电阻R₁₇的敏感性，从而增大DC/DC开关电源模块的输出电流，这样即可将开关电源模块最大输出电流由原来标称的3.0A扩大到4.2A。

图2提供的点火装置，可以满足点火装置输出电压、输出电流等电气指标及监测、测试、工作状态逻辑指示等要求，主要包括以下六个方面的技术内容：

1、调整DC/DC开关电源模块输出电压的工作范围；

2、使DC/DC开关电源模块输出电压调整范围符合点火装置的设计要求；

3、加大DC/DC开关电源模块的输出电流；

4、供电电源极性识别电路及指示电压提升电路；

5、ab跳线与电容C₁组成的特殊电路；

6、监测、测试及工作状态逻辑指示电路。

以下分别进行详细说明：

1、YDS—305 DC/DC开关电源模块标称输出电压调节范围：1.8—5.0V，而点火装置所要求的输出电压调节范围是：1.2—1.6V。因此，原有YDS—305 DC/DC开关电源模块的输出电压区间值显然不能直接使用。根据开关电源模块电路原理分析和反复试验，对DC/DC开关电源模块的电路接线方法进行了改进，将开关电源模块输出电压调节的原有接法，改接成为固定输出电压1.8V，电路改进后的接法见图2。

2、在DC/DC开关电源模块上电阻R₃的非接地端接上1只82—100KΩ电位器W和24KΩ固定电阻R₂，使得DC/DC开关电源模块输出电压调整范围是：1.4—1.8V，通过输出电压的调整以适应不同型号或不同热度电热塞的工作需要。

3、在限流取样电阻R₁₇的两端直接并联1只金属膜电阻R₁₈(0.22Ω/1W)，以降低限流取样电阻R₁₇的敏感性，从而增大DC/DC开关电源模块的输出电流，这样即可将开关电源模块最大输出电流由原来标称的3.0A扩大到4.2A。

4、供电电源极性识别电路及指示电压提升电路。为解决点火装置供电电源极性接反问题，点火装置特别在DC/DC开关电源模块供电电源回路中的电源负极一侧接入一只正向压降较小的肖特基二极管D₁，D₁的接入同时还为黄色发光二极管D₃提升了0.2V以上的工作电压，具体接线图见图2。

5、DC/DC开关电源模块外围电路中ab跳线与电容C₁的特殊作用，不仅有效解决了电热塞R₀正常工作时黄色发光管的指示问题，同时也解决了电热塞R₀短路时的指示难题，而且大大简化了开关电源模块的外围电路(否则就需要增加比较复杂测试的电路，或者辅以单片机来完成测试和结果显示等工作)。

PCB板(电路板)中设置的ab跳线与电容C₁的特殊作用是通过反复试验获得，ab跳线可以是一段导线，也可以是一段制作在PCB板中的一段线路。目前，已经知道ab跳线的特殊作用与其长度、粗细(压降)及ab跳线布线的接入位置密切相关，与ab跳线的几何形状无关(如：“U”、“C”、“L”、“Ω”、环形或直线等)。ab跳线具体选择什么形状，可根据点火装置PCB板的外形和尺寸来确定，如图3所示，ab跳线可以采用图3-1或图3-2或图3-3所示的不同形状，本发明最终采用是图3-4所示的形状。试验表明：如果用同样阻值的电阻取代ab跳线，那么这种特殊作用根本无法体现出来。ab跳线与电容C₁的使用除大大简化了外围电路外，尤其在负载正常工作或电热塞R₀短路时指示效果特别好。再就是黄色指示灯的亮度基本上不随输出端短路或输出电压大小变化而变化。最后是特殊作用的效果非常可靠。

6、在线自动监测、测试点火装置和电热塞的性能及工作状态，以及结果逻辑显示

点火装置上选用2只颜色不同的超高亮度发光二极管，它能根据供电电源极性及电热塞正常与否，根据点火装置的运行情况和电热塞工作状态，能干脆利落地进行逻辑显示。

电热塞工作状态包括：电热塞工作正常，电热塞短路或断路(开路)。

(1)点火装置空载最高输出电压为1.8V，而普通LED发光二极管工作电压要≥1.96V才能被点亮。所以，设计上选用工作电压为1.30—3.0V的超高亮度发光二极管作为点火装置的监测、测试指示灯。当引线输出端电压调低至1.2V时，在点火装置接上电热塞R₀后，那么接在PCB板上输出端的红色发光二极管D₄将不能被点亮。为解决引线输出端接上电热塞R₀有大电流通过时，接电热塞R₀的两根输出引线产生约0.2V压降这个现象，则预先在PCB板输出端电压提高0.2V，用于抵消电热塞R₀输出引线损失的0.2V压降，这样可使PCB板输出端的红色发光二极管D₄得到≥1.4V的正常工作电压(因R₀的阻值极小，在此可以忽略不计)；

(2)PCB板输出端的电压范围是1.4—1.8V，当引线输出端空载时，即：未接电热塞R₀或R₀断路(如：电热塞R₀烧断)，红色发光二极管D₄因无回路而无法点亮，因而判断电热塞R₀断路或者R₀烧断；

(3)在黄色超高亮度发光二极管D₃负极一侧，串入一只普通硅整流二极管D₂，D₂和D₃的接法见图2。在点火装置引线输出端空载或电热塞R₀断路时(电热塞R₀烧断)，尽管肖特基二极管D₁为D₃和D₂提升了0.2V，但硅整流二极管D₂有0.75V压降，黄色发光二极管D₃因得不到正常的工作电压而截止(黄色灯不亮)；

(4)当正常的电热塞R₀接入并按下AN按键开关后，因肖特基二极管D₁上的压降随着通过其电流的大幅度增加而进一步加大(肖特基二极管上的压降≥0.35V)，再加上ab跳线和C₁的特殊作用使黄色发光二极管D₃两端的电压迅速上升(D₃两端电压>1.4V)，黄色发光二极管D₃由截止而被点亮；

(5)当点火装置引线输出端或电热塞R₀短路时(如：电热塞R₀碰极)，监测点火装置和电热塞R₀工作状态的红色发光二极管D₄两端因具备必要的工作电压而被点亮。实际上，此时已经对点火装置和电热塞进行了两项测试工作。当电热塞R₀已经短路，在按下AN开关时，因PCB板上的ab跳线和C₁的特殊作用，黄色发光二极管D₃两端的电压迅速升高而被点亮，而此时红色发光二极管D₄因缺电而熄灭。与此同时，电流取样电阻R₁₇两端电压也迅速升高，进而控制DC/DC开关电源模块中的PWM驱动电路实施过流保护。

点火装置、电热塞工作状态逻辑显示对照表(括号内文字为按下AN开关的结果)

技术指标

(1)输入电压：5.2—15V

(2)输入电流：0.48—1.18A

(3)待机电流：≤7mA

(4)输出电压：1.4—1.8V(接上电热塞时：1.2—1.6V)

(5)输出电流：0—4.2A

(6)转换效率：86％

(7)工作方式：连续、慢速点火

(8)25级以上航空模型电热式二冲程、四冲程发动机通用

(9)外缘尺寸：47.5mm×35.5mm×16.0mm

(10)整机重量：≤35.0g

图4为YDS—305DC/DC开关电源模块组成的点火装置电路原理图，可作参考。

本发明所述的机载型航空模型电热式发动机的点火装置以脉冲宽度调制器(IC是集成电路，型号为：MB3759)为核心，主要由开关电源模块及其外围电路组成，如图4所示。所述的开关电源模块主要包括自激振荡电路、PWM驱动电路、降压式变换器输出电路、稳压控制电路、限流控制电路5个部分组成。

(1)自激振荡电路，由电容C₈、电阻R₁₂与脉冲宽度调制器形成振荡，电容C₈与电阻R₁₂分别与集成电路IC的脚5和脚6连接后并联接地。集成电路IC内部电路振荡频率fs＝1/(0.817R₁₂C₈+1.42×10^-6)＝90kHz，振荡周期T_s＝11μs。集成电路IC的脉冲输出控制端脚13和脚4、脚7接地，故PWM脉冲设置为并联输出。

(2)PWM驱动电路，由晶体管Q₁、Q₂、Q₄、二极管、D₇、D₅、电容C₁₀、C₁₁元件组成。集成电路IC中的调宽脉冲输出级两晶体管接成共射方式，PWM脉冲从集成电路IC中的脚8、脚11并联输出，经电阻R₁₃后，在开关管Q₁、Q₂组成的驱动放大电路中进行放大，并经开关管Q₂的发射极送至降压式变换器电路输出级。由于降压式变换器电路中Q₃采用增强型场效应管(Q₃为增强型场效应管NMOSFE型号为：2SK2018)，为保证场效应管Q₃充分导通，必须使V_GS≥4V。但是当场效应管Q₃导通时，场效应管Q₃源极S的电位等于输入电压。因此，PWM驱动级的供电电源电压必须高于输入电压，为此要通过输入电压建立辅助电源。

所述的辅助电源由二极管D₇、D₈、电容C₁₀、C₁₁元件构成，该辅助电源可提供10V电源电压。该辅助电源的工作原理是：当场效应管Q₃截止且续流二极管D₉导通时，输入电压经二极管D₈给电容C₁₁快速充电，电容C₁₁充满电时两端电压就等于输入电压；该输入电压经开关管Q₄、二极管D₇组成的串联稳压得到10V辅助电源，与场效应管Q₃源极S的电位叠加后作为PWM驱动级的供电电源。这样就保证了场效应管Q₃的栅极G比源极S高10V，从而保证了场效应管Q₃充分导通。

需要说明的一点是：虽然辅助电源是10V串联稳压电源，但当输入电压大于4V而小于10V时，此串联稳压电路起电压跟随作用，场效应管Q₃仍能导通。串联稳压电路设定10V输出的原因，是防止高输入电压时，场效应管Q₃的栅极G、源极S被击穿。

(3)降压式变换器输出电路，由场效应管Q₃、续流二极管D₉、电感L₂、滤波电容C₂、二极管D₆等元件组成。当集成电路IC输出的PWM脉冲为低电平时，经Q₁倒相放大变为高电平，由开关管Q₂发射极输出器送到降压式变换器场效应管Q₃的栅极G，使场效应管Q₃导通，电感L₂充电储能，此时续流二极管D₉截止。当集成电路IC输出的PWM脉冲为高电平时，经倒相放大管Q₁倒相放大变为低电平，由开关管Q₂射极输出器送到降压式变换器场效应管Q₃的栅极G，场效应管Q₃截止；此时由于电感L₂中的感应电压变为上负下正，而使续流二极管D₉导通，电感L₂中的储能泄放给负载R₀。当电感L₂中的电流iL大于输出电流I₀时，电容C₂充电储能，当电感L₂中的电流i_L小于输出电流I₀时，电容C₂放电给负载。二极管D₆是泄放引导二极管，用于泄放场效应管Q₃的栅、源结电容电荷，加速场效应管Q₃的关断过程，减小关断损耗。其工作原理是：当倒相放大管Q₁的集电极为低电平时，二极管D₆导通，场效应管Q₃的栅、源结电容电荷迅速放掉，场效应管Q₃迅速截止。

(4)稳压控制电路，由电阻R₇、R₃、R₄、R₆、电容C₅与集成电路IC内部的运放1(脉冲宽度调制器)组成。电阻R₇、R₃连接在集成电路IC的脚2和脚14之间，对集成电路IC的5V基准电压进行分压，得到1.8V电压，送到IC内部运放1的反向端集成电路2脚作为误差比较基准电压。电阻R₄、R₆对输出电压V₀进行分压，得到误差电压，送到IC中的运放1的同相端集成电路1脚。将误差电压与基准电压进行比较，控制PWM脉冲的占空比，使输出电压保持不变。例如：当输入电压升高而使输出电压V₀升高时，进行以下控制过程：V₀↑→V₁↑→V₃↑→占空比↓→V₀↓，从而保持输出电压V₀不变。电容C₅接在电阻R₄的两端，用于控制稳压反应过程，防止瞬间过压。(注：V₀＝Vout，V₁、V₃指集成电路1脚、3脚的对地电压，↑表示增加，↓表示降低)

(5)限流控制电路，由电阻R₁₀、R₁₁、R₅、R₁、R₁₇与集成电路IC内部的运放2组成。电阻R₁₇用于对输出电流进行取样，取样电压以差分方式，然后经过电阻R₁和电阻R₁₁后送到IC内部的运放2的反相端15脚和同相端16脚。例如：当输出电流对大于额定电流时，进行以下控制过程：V₁₆>V₁₅→V₃↑→占空比↓→V₀↓→I₀↓，从而保持I₀限定在额定电流范围内。(注：I₀＝Iout)

Claims (2)

1.一种机载型航空模型电热式发动机智能点火装置，由DC/DC开关电源模块、供电电源、电源极性识别电路、与DC/DC开关电源模块相连的输出电压调节电路、工作状态监测电路、工作状态指示电路和负载电热塞(R0)回路组成，与DC/DC开关电源模块相连的供电电源极性识别、工作状态监测、工作状态指示电路中包括肖特基二极管(D1)、硅二极管(D2)、超高亮发光二极管(D3、D4)，其特征是：所述的DC/DC开关电源模块采用非隔离型YDS-305DC/DC开关电源模块，在与DC/DC开关电源模块相连的负载、监测、工作状态指示、供电电源极性识别电路中还有：

(1)由DC/DC开关电源模块外围电路中ab跳线与电容(C1)组成的支路，DC/DC开关电源模块的输入回路由模块输入端②连接ab跳线的a端，ab跳线的b端与电容(C1)的负极、肖特基二极管(D1)正极相连，DC/DC开关电源模块输入端①与电容(C1)的正极相连；

(2)负载电热塞(R0)回路中串接按键开关(AN)，在DC/DC开关电源模块输出端②、③之间，由发光二极管(D4)两端并联一只按键开关(AN)与负载电热塞(R0)组成负载回路。

2.根据权利要求1所述的机载型航空模型电热式发动机智能点火装置，其特征是ab跳线是刻制在PCB电路板上的一段铜箔导线。

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