CN101936247B

CN101936247B - 工具型航模电热式发动机点火装置

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Publication number: CN101936247B
Application number: CN2010102660101A
Authority: CN
Inventors: 黄宇嵩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN101936247A

Abstract

本发明属于航模与电子技术领域，涉及一种工具型航模电热式发动机点火装置。该装置由供电电源、“π”形滤波电路、DC/DC变换器、功率输出电路、保护电路、指示电路和负载电路组成，其特征是DC/DC变换器为电流模式脉宽调制控制器，集成电路采用UC3843，外围用简捷的电路与少量的元器件进行组合，在强化和增加部分保护电路功能之后，实现了在线检测点火装置、电热塞的性能和工作状态指示等功能。它能使电热塞在发动机点火启动过程中始终处于最佳工作状态，而且不需人为干预，操纵者可集中精力、从容地调整发动机，从而大幅度降低了航模初学者的入门门槛，有望彻底扭转多年来爱好者对航模发动机多凭经验或盲目操作的落后格局。

Description

工具型航模电热式发动机点火装置

技术领域

本发明属于航模与电子技术领域，涉及一种工具型航模电热式发动机点火装置。

背景技术

油动航空模型是集科技、体育与实践于一体的运动，是涉及综合性知识最多、最具难度的活动项目。航模电热式发动机如何顺利点火启动是航模初学者入门必须面对的问题，其成败至关重要，而传统的发动机点火器或点火装置它们均程度不同的存在着这样或那样的问题，从而在一定程度上阻碍了这项科技活动的发展与普及。

航模电热式发动机点火启动用的点火装置性能优劣与否，直接关系着航模发动机能否顺利地启动。随着技术的发展，点火装置已历经锰锌电池、甲电池、单隔铅酸蓄电池、免维护蓄电池、镍镉充电电池和串联式稳压电源等多种形式，它们(点火装置或点火器)在支持大电流、连续放电等方面均存在一定缺陷，而且难于支持工作电流大于4A的日本产OS牌8^#冷型电热塞；这些点火装置不具备自动检测、工作状态指示等功能，无法识别电热塞是否工作在正常状态，发动机不能正常启动的原因仍然无法准确判断，因而或多或少的影响发动机上电热塞的正常工作，进而使发动机点火启动特别困难。时常因搞不清楚故障何在，甚至要经历把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、供电电源的性能是否正常等烦琐过程。

目前，尽管用于航模电热式发动机启动的点火器(手榴弹)已经比较流行，但它们始终存在着这样或那样的问题，尤其是对那些初涉油动航模的爱好者们，如何顺利启动航模发动机仍然是入门成败之关键。

航模电热式发动机启动困难的原因及分析

在航模电热式发动机点火启动的实践中，发动机点火启动困难司空见惯，究其原因：一是二冲程发动机本身结构过于简单，不像汽油发动机的点火装置那么完善；二是发动机工作状态不好或电热塞本身有故障；二是传统的点火器性能欠佳或根本没工作或电力不足不适合长时间连续使用；三是发动机的油路与电路的多种故障常常交织在一起，故障性质很难正确区分；四是初学者没有经验盲目操作越调越乱，进而造成点火器中的充电电池电量迅速消耗，操纵者多凭经验操作或盲目乱调。

上述种种问题均不同程度阻碍了许多热衷于油动航模的爱好者入门，也影响了航模活动的开展与普及。为了适应油动航模初学者使用和这项科技活动的普及，必须设法弥补航模电热式发动机本身结构过于简单而导致难于点火启动的缺陷，必须大幅度地降低爱好者的入门门槛，使航模发动机点火启动不再是一件麻烦和烦恼的事情。针对航模电热式发动机点火启动因传统点火装置性能欠佳、功能不全等突出问题，有必要设计、制作一款操作简便、点火有劲、供电稳定、保护功能齐全、运行可靠、使原本交叉而又复杂问题趋于简单，且特别适合外场恶劣环境下的初学者操作使用的航模发动机启动点火装置，彻底扭转和改变多年来操作者对航模发动机凭经验或盲地操作的落后格局。

发明内容

发明的可行性与目标

(一)电热塞标称工作电压是1.5V，而传统的点火器只能提供1.2V工作电压，电热塞达不到理想工作状态，且充电电池难以维持长时间工作；

(二)利用电子技术的优势，可以弥补航模发动机结构过于简单而导致的一系列问题；

(三)支持电热塞大电流、连续放电。供电电源电压适应范围宽；

(四)增加自动检测等功能。发动机在点火启动过程中，电热塞是否正常工作，工作状态可显示，从而为操作者初步判断航模发动机不能正常启动的原因；

(五)适合于所有级别的二冲程航模电热式发动机，也适合在四冲程航模发动机上使用。

技术方案

(一)运用DC/DC能量守恒的原理，通过DC/DC点火装置将输入高电压、小电流的供电电源转化为电热塞工作需要的低电压、大电流。以日本产8^#电热塞(冷头)、供电电源电压12V为例：1.5V×4.1A(8^#电热塞工作电流)＝6.15W，供电电源的转换效率按86％计，则供电电源输入电流为：6.15W/12V×86％≈0.6A；

(二)为满足外场粗放使用的要求，实现保护点火装置安全和供电电源安全的目标，电路设计利用集成电路(UC3843)所具有保护电路，并设计增加了电路外置保险等保护措施。

(三)工具型航模电热式发动机点火装置由供电电源、“π”形滤波电路、DC/DC变换器、功率输出电路、保护电路、指示电路和负载(电热塞RL)电路组成，其特征是DC/DC变换器为电流模式脉宽调制控制器，集成电路(IC1)采用UC3843。

(四)根据权利要求1所述的工具型航模电热式发动机点火装置，其特征在于供电电源回路的保护电路中包括：

1.在供电电源回路的负极串接保险丝(RX)，保险丝采用RF/WH系列PTC自恢复保险丝；

2.在供电电源回路正极接入防电源极性反接二极管(D4)，二极管(D4)选用压降损耗很小的肖特基二极管，二极管(D4)与点火装置电路中的续流二极管(D3)合用1只共阴极肖特基二极管。

(五)根据权利要求1所述的工具型航模电热式发动机点火装置，其特征是功率输出电路的功率输出管(BG2)采用大功率增强型N沟道场效应管IRFZ22。

(六)根据权利要求1所述的工具型航模电热式发动机点火装置，其特征是点火装置指示电路中的两个显示元件(D1、D2)选用工作电压为1.30～3.0V的Φ5超高亮度发光二极管。

有益效果

本发明按照油动航模发动机在外场工作的特殊要求，工具型点火装置可进行慢速、连续点火，而使油动航模发动机点火启动不再困难。使用它能使各级别的航模电热式发动机在整个点火启动过程中电热塞始终处于最佳工作状态，且不需人为干预，操纵者可以集中精力、从容地调整航模发动机，不必再为电热塞工作或点火装置运行正常与否而分心。

本发明的许多特点是早期功能相近产品不具备的，不仅大幅度降低了航空航模初学者的入门门槛，而且有望彻底摆脱长期传统点火装置问题多多的困绕，有望彻底扭转多年来操作者对发动机多凭经验或盲目操作的落后格局。

附图说明

图1是工具型航模电热式发动机点火装置电路工作原理图。

图2是工具型航模电热式发动机点火装置PCB电路板黑稿示意图。PCB电路板选用单面铜箔板制作，PCB电路板外缘尺寸：75mm×45mm。

具体实施方式

下面按照说明书附图和附图说明，结合以下实施例对工具型航模电热式发动机点火装置制作的相关技术作进一步的描述。

电路组成及电路工作原理

经过反复试验和筛选，最终确定用电流方式脉宽调制集成电路UC3843为电路的核心元件。UC3843集成电路的特点：它是专为直流低压输出而设计，它是DC/DC变换器高性能固定频率电流模式控制器。UC3843具有频率可调的振荡器，能进行精确的控制占空比、温度补偿、高增益误差放大等，它具有电流取样比较器和大电流输出功能，是驱动增强型大功率场效应管(MOSFET)理想的集成电路，其外围只需使用少量元件即能实现设计目标。

工具型航模电热式发动机点火装置由供电电源、“π”形滤波电路、DC/DC变换器为电流模式脉宽调制控制器、功率输出电路、保护电路、指示电路和负载(电热塞RL)电路组成。

UC3843集成电路引脚分布及功能

电路的保护功能

为满足外场粗放使用的要求，为确保点火装置的使用安全，启用集成电路自有的保护功能、并在电路设计上增加了两种保护措施：

1.利用集成电路UC3843自身的阈值保护电路，通过集成电路IC1的脚3外围电流取样电阻，实现功率输出端过载或短路保护。当输出端的负载(RL)故障解除后，电路可自动恢复正常工作；

2.当供电电源电压低于V阈值8.6时，集成电路UC3843自动进入欠压锁定而中止输出，有效地保护了供电电源不致于过量放电；

3.供电电源极性识别电路。为防止供电电源极性反接，在供电电源输入回路中接入肖特基二极管D4能有效的防止电源极性接反问题；

4.电路增设外置保险。为进一步增强点火装置电路的保护效果，在点火装置供电电源回路中增设RF/WH系列新型的PTC自恢复保险丝，它具有过流保护，自动复原双重功能。

点火装置和电热塞的性能测试及工作状态指示

1.点火装置、电热塞性能测试及工作状态指示：点火装置电路中的2只颜色不同的超高亮度发光二极管(D1、D2)，第一发光二极管(D1)用于反映点火装置、电热塞工作状态正常与否，第二发光二极管(D2)用来观察供电电源极性和点火装置工作情况。

电路中第一发光二极管(D1)的接入，将不再需要借助仪表测量，即可在线监测点火装置本身和电热塞性能及其工作状态(电热塞工作状态：正常、短路或开路)。

2.PCB电路板输出端、引线输出端的区别及电压的处理：点火装置输出端的两根引线既是功率输出线，也是信号的检测与反馈线。要求在密闭发动机的电热塞上同时完成加电、信号获取、甄别点火装置和电热塞的性能，并能将检测的工作状态通过相应的指示灯显示。

因点火装置空载输出电压要求为1.78V，而普通LED发光管要求工作电压≥1.96V才能被点亮。所以，在制作上选用工作电压为1.30～3.0V的超高亮度发光二极管作为点火装置电路的指示灯。为解决引线输出端在接有电热塞RL并通过大电流时，接电热塞RL的两根引线会产生约0.2V压降，则在设计时将PCB电路板输出端电压预先提高0.2V，用于抵消电热塞RL输出引线损失的0.2V压降，这样可使PCB电路板输出端所接的第一超高亮黄色发光二极管(D1)，在使用日本产OS 8^#电热塞RL工作时能够得到＞1.45V的工作电压，从而保证了电热塞、发光二极管D1均能正常工作。

元器件选择

元器件要适合外场恶劣环境和夏季高温下工作。元器件选择力求工作稳定、可靠为原则。尽量筛选温度适应宽、且耐高温的元器件，功率元件参数应为工作指标的3倍以上。

1.元器件名称及技术参数

序号	元器件名称	主要参数	说明	数量
					IC1	电流式脉宽调制集成电路	UC3843双列直插式	或UC3845	1只
BG1	三级管2SC9015	TO-92塑封β≥200	2SC9012	1只
					BG2	增强型N沟道场效应管	TO-220 IRFZ22	或IRFZ30	1只
D1	超高亮黄色发光二极管	LEDΦ5	点火指示	1只
					D2	超高亮红色发光二极管	LEDΦ5	供电指示	1只
D3、D4	共阴极肖特基二极管	TO-220 MBR1545	一管两用	1只
					R1	金属膜电阻	1/4W 24～33Ω	降压滤波	1只
R2	碳膜电阻	1/8W 8.2KΩ	振荡器	1只
					*R3	碳膜电阻(可微调)	1/8W 1KΩ	电压反馈	1只
R4、R5	碳膜电阻	1/8W 2.2KΩ	分压电阻	2只
					R6	碳膜电阻	1/8W 100Ω	栅极电阻	1只
R7	碳膜电阻	1/8W 12KΩ		1只
					R8	碳膜电阻	1/8W 430Ω	电流反馈	1只
R9	金属膜电阻	1/2W 0.22Ω	电流取样	1只
					R10	碳膜电阻	1/8W 1.2KΩ	降压限流	1只
C1	电解电容	47μF/25V	滤波电容	1只
					C2	电容	0.01μF	振荡器	1只
C3	电容	1000P		1只
					C4	电容	0.1μF	滤波电容	1只
C5	电解电容	1000μF/6.3V	滤波电容	1只
					C6	电解电容	470μF/35V	滤波电容	1只
L	电感器	铁氧体磁芯EI25	平绕25圈	1只
					RX	PTC自恢复保险丝	RF/WH 16V/1000mA	正温度系数	1只
散热器	可焊式散热器	适用于T-220封装		2组
					PCB电路板	单面铜箔板	75mm×45mm		1块
软电源线	供电电源输入引线	0.3mm²、16股	红、黑平行	0.45m
					软电源线	功率输出引线	0.75mm²、40股	双股平行	0.8m
鳄鱼夹	中号红、黑色	供电电源输入		2枚
					橡胶护圈	护线用	外经Φ11		1枚
装置外壳	塑料仪器外壳	80mm×50mm×32mm		1个

2.场效应管的选择：场效应管是电路中最重要的功率元件，根据输出功率的需要，并要考虑到开关管的导通电阻小、装置的外壳尺寸和散热器尺寸等因素的限制，场效应管(BG2)可选择TO-220塑料封装的增强型N沟道大功率场效应管(IRFZ22)。

3.滤波电容的选择：一般情况下，电源滤波电容的容量越大为好，但本发明为开关电路，滤波电容的容量太大会增加电路的分布电感而影响开关电源对高次谐波的滤波效果。本发明考虑到为节省电路板的空间尺寸，在C1、R1、C6组成的“π”形滤波电路中使用的是大容量电解电容。在电路板空间允许的情况下，为提高开关电源的滤波效果和减少对周边遥控设备的辐射干扰，可用多只容量为220μF的电解电容代之。

4.电源极性防反接元件：供电电源回路中二极管(D4)的接入可实现电源防极性反接问题，选用肖特基二极管是为了减少供电回路的压降损耗。若能保证供电电源极性正确联接，二极管D4可省去不用，直接用导线接通，这样可有效提高供电电源的转换效率，也有利于外场节电。防电源极性反接二极管D4与电路中续流二极管D3合用1只共阴极肖特基二极管。

5.状态指示灯选择：因点火装置多在外场高亮环境下使用，点火装置上的显示元件LED建议选用Φ5超高亮发光二极管，而Φ3超高亮发光二极管的实际亮度欠佳，不推荐使用。

6.保险丝RX的选择：为使用方便，本发明采用RF/WH系列新型PTC自恢复保险丝，将它串接在供电电源回路中，在电路正常工作情况下呈低阻状态；当电路发生短路或窜入异常大电流时，PTC组件自热使其阻抗迅速增加把工作电流限制到足够小，起到切断供电电源的作用。当电路故障排除后，PTC自恢复保险丝自动恢复到低阻状态。

部分器件的制作

1.电感器制作：电感器是点火装置制作成功与否的关键器件，铁氧体磁芯选用型号EI25，舌面尺寸6.5mm×6.5mm，用Φ0.29～0.31mm漆包线10股绞绕(每个电感器需绞线长度约130cm)，在磁芯骨架上分层平绕25～26圈；电感器亦可选用环形铁氧体(磁环)制作，用单根Φ0.8mm漆包线穿绕30～32圈，绕制环形电感穿绕有一定技术难度，且制作成本也相对较高。电感器绕制完后，用电工防水胶带捆扎，再用504环氧胶或用A、B胶浸封加固。

2.散热器：因点火装置所用的塑料外壳空间很小，散热器选用适合T-220封装的可焊式散热器。因装置使用的是开关电路，场效应管功率较大、导通电阻非常小，所以场效应管在工作时产生的热量很少，以至于不使用散热器也能正常工作。

3.PCB电路板制作：PCB电路板的设计与制作方法复杂、且制作工序较多，实际可按照附图2所示的黑稿进行制作。

4.测试用的假负载制作：适当截取一段800W电炉丝折成4股并绞绕，接着借助数字表测量并截取0.4Ω一段，然后在直径5mm圆棒上将其绕成螺旋状，两端用厚度为0.5mm紫铜片裹绕并夹紧，最后在紫铜片的两端焊上0.75mm²一段导线即成。如此这般的再分别制作2只阻值为0.35Ω、0.45Ω的假负载以备调试之用。

电路调试

在点火装置通电、调试之前，仔细核对焊接的元器件、接线与电路工作原理图是否完全相符，要特别注意检查二极管、三极管、电解电容等有极性的元件；逐个检查元器件的焊接质量，消除虚焊或假焊。

1.空载测试：供电电源输出电压调到12V，用数字万用表测量点火装置的输出电压。一般情况下，点火装置的电路无需调试即可正常工作，空载输出电压均值为1.78V。若装置输出电压有偏差，可适当调整电阻R3的阻值，输出电压值范围1.76～1.80V即为合格。

2.带负载测试：为了防止意外烧毁电热塞，先在输出端分别接入假负载进行调试。因点火装置输出端只用两根引线，稳压值取样只能在PCB电路板上提取，所以导致接入轻或重负载后的路端电压略有不同，带负载后测试输出端电压的范围是：1.45～1.52V。

3.输出端短路测试：要测试两种短路的极端情况，一是空载状态下输出端人为短路测试；二是接有负载时输出端人为短路的情况下测试。在测试时要分别接上数字万用表，观察当输出端短路解除后，输出端的电压值能否立即恢复。

4.重负载(满载)检测：我们知道日本产OS牌8^#二冲程电热塞是内阻最小、耗电最大的负载，用其进行重负载实际检测。需要注意的是：场效应管的源极(S极)接的1只功率大、阻值小的电阻(R9)是作为过流保护的取样电阻，此电阻阻值在0.2～0.24Ω之间，取值大有助于提高启动过流保护的灵敏度，但阻值超过0.3Ω将会严重影响重负载(如：OS牌8^#电热塞)的正常工作。

5.供电电源电压范围测试：装置的供电电源电压最低为8.6V，当供电电源电压＜8.5V时，电路自动进入欠压保护状态，输出端电压基本为零；供电电源电压为30V时转换效率最高，供电电源回路中的输入电流最小；对于供电电源使用高电压，电装置的路没有设计保护功能，当供电电源电压达到或超过34V将会烧坏电路中的集成电路UC3843。

6.空载时供电电源输入电流测试：以供电电源电压12V为例，点火装置的待机工作电流：≤9mA，这其中不包括指示灯(D1、D2)的工作耗电。

7.在轻、重负载情况下测试整机输入电流：供电电源电压为12V，在轻、重负载时，测试供电电源输入回路中工作电流范围是0.45～0.65A，随着供电电源电压的提高，供电电源输入回路中的工作电流会随之下降。

技术指标

1.输入电压：8.6～30V(当供电电源电压＜8.6V时，装置将进入欠压保护状态)

2.输入电流：0.45～0.65A/12V(供电电源输入电压越高，其输入电流越小)

3.空载输出电压：1.78±0.2V

4.输出电压：1.5V(接有负载时平均输出电压值)

5.输出电流：0～4.2A

6.待机电流：≤9mA(不含指示灯耗电)

7.转换效率：供电电源在12V时，转换效率约为86％(电源电压越高，转换效率越大)

8.工作方式：慢速、连续点火

9.适用于各级别航模电热式二冲程、四冲程发动机

10.环境温度：-18℃～55℃

11.外壳尺寸：80mm×50mm×32mm

12.整机重量：≤120g(不含点火咀)

使用说明

1.在装置上接有短、且细引线的鳄鱼夹接蓄电池(红鳄鱼夹子接蓄电池的正极)，长、且粗的引线接点火咀或点火夹。

2.当点火装置通电时，机壳上的黄色和红色(D1、D2)两个指示灯均被点亮，说明点火装置进入工作状态；当电热塞RL正常工作时，黄色指示灯(D1)的亮度稍为变暗；当输出端短路时，黄色指示灯熄灭，红色指示灯维持点亮。

3.在给电热塞的端子加电时，黄色指示灯(D1)的亮度瞬间变暗后又迅速恢复属于正常现象，因点火装置输出端由空载突然接上负载时，电流、电压经输出端取样后，维持输出端电压的稳定需有一个短暂的执行过程，此现象可用于判断电热塞是否正常接入。

Claims

1.一种工具型航模电热式发动机点火装置，由供电电源、“π”形滤波电路、DC/DC变换器、功率输出电路、保护电路、指示电路和电热塞(RL)电路组成，其特征是：

(1)DC/DC变换器为电流模式脉宽调制控制器，集成电路(IC1)的型号采用UC3843；

(2)供电电源回路的保护电路中包括：在供电电源回路的电源负极串接保险丝(RX)，保险丝(RX)采用RF/WH系列PTC自恢复保险丝；在供电电源回路正极接入防电源极性反接二极管(D4)，二极管(D4)选用肖特基二极管，二极管(D4)与点火装置电路中的续流二极管(D3)合用1只共阴极肖特基二极管。

2.根据权利要求1所述的工具型航模电热式发动机点火装置，其特征是：功率输出电路中的功率输出管(BG2)采用增强型N沟道大功率场效应管IRFZ22。

3.根据权利要求1所述的工具型航模电热式发动机点火装置，其特征是：指示电路中的两个显示元件(D1、D2)选用工作电压为1.30～3.0V的Φ5超高亮度发光二极管。