Максимальный рабочий ток и рассеиваемая мощность

Как мы выяснили выше, электрический пробой " по напряжению" может грозить только одному виду схемных компонентов - электролитическим конденсаторам. Но и остальные детали (особенно полупроводниковые), в принципе могут выйти из строя при увеличении напряжения питания, правда, уже по другой причине - вследствие теплового пробоя, возникающего при увеличении рассеиваемой мощности.

Давайте посчитаем, как увеличатся потребляемый ток и рассеиваемая мощность при увеличении питающего напряжения.

Прежде всего, нужно задать максимально возможное напряжение питания.

Для пяти свежезаряженных никель-кадмиевых (металлогидридных) элементов это напряжение будет равно:

Umax = 5 * 1, 45V = 7, 25 V,

для шести элементов, соответственно:

Umax = 6 * 1, 45 V = 8, 7 V,

и для двух литий-полимерных элементов это напряжение будет порядка:

Umax = 2 * 3, 50 V = 7, 0 V.

Конечно, через несколько минут напряжение даже свежезаряженных батарей снизится до уровня рабочего (~6, 0 - ~7, 2 V для никель-кадмия и металлогидрида, и ~ 6, 2 V для литий-полимера), но в расчетах следует учитывать максимально возможные величины.

По закону Ома, ток в цепи постоянного тока (упростим задачу) пропорционален напряжению:

I = U / R,

а вот мощность пропорциональна уже квадрату напряжения:

P = U * I = U^2 / R,

следовательно, при увеличении напряжения в 1, 8 раза (с 4, 8 воль до 8, 7 вольт), токи во всех цепях увеличатся также в 1, 8 раза, а вот потребляемая (и рассеиваемая) мощность возрастет почти в 3, 3 раза!

Индуктивности в бортовых устройствах - это, прежде всего, ВЧ контура радиоканала. В них протекают очень не большие, да к тому же - переменные токи (при их расчетах применяются другие формулы), поэтому за сохранность контурных индуктивностей можно не опасаться, там все сделано в большим электрическим запасом.

Если в схеме имеется фильтрующий дроссель (они иногда устанавливаются как раз в цепях питания), то и за их сохранность можно не бояться - при общем потребляемом токе приемника порядка 5-15 мА, даже при двукратном повышении напряжения питания, ток, протекающий через эту деталь, и рассеиваемая на ней мощность наверняка не превысят допустимых величин.

Примерно тоже самое можно сказать и о резисторах. Мощность применяемых в современной RC-аппаратуре SMD резисторов не бывает ниже 0, 1 Вт. Это значит, что резистор может длительное время рассеивать указанную мощность, без изменения своих параметров.

Простой расчет показывает, что величина сопротивления резистора, при которой на детали начнет рассеиваться такая мощность при напряжении 8, 7 вольт будет примерно равна:

R = U^2 / P = 8, 7*8, 7/0, 1 = ~760 Ом,

ток при этом должен быть не меньше:

I = U / R = 8, 7 / 760 = ~11 мA.

Как мы уже установили, ток такого порядка (5-15 мА) протекает сразу по всем цепям приемника, поэтому оснований для беспокойства и здесь нет никаких. Резисторы схемы приемника (да и рулевых машинок тоже) безболезненно перенесут двукратное повышение напряжения питания. Конечно, если не возникнет еще каких-то факторов, способных привести к тепловому пробою резистора. Что же это за факторы?

Резисторы - это пассивные элементы, обычно играющие вторые роли, в отличие от полупроводниковых элементов - транзисторов, диодов и интегральных микросхем. Только в случае " перегорания" какого-нибудь " полупровода", может выйти из строя и находящийся в той же цепи резистор, по которому начнет протекать запредельный ток.

Насколько же вероятен тепловой пробой полупроводников?

Слаботочные цепи (а к ним можно отнести все цепи приемника и цепи обработки канального импульса в РМ) однозначно не выйдут из строя при увеличении напряжения питания не только в 2, но и в 3-4 раза. Для большинства полупроводниковых элементов токи до 0, 1 А (100 мА) абсолютно безопасны. А такие токи однозначно не могут возникнуть при простом увеличении напряжения питания. Все цепи микросхем самого приемника, декодера и входных элементов электроники РМ могут надежно работать при напряжениях питания до 10 вольт.

Другое дело - силовые цепи рулевых машинок, где даже в штатном режиме, при полной нагрузке на валу, токи могут достигать нескольких ампер! Очевидно, что увеличенное почти в 2 раза напряжение питания вызовет такое же увеличение тока, и более чем трехкратное увеличение коммутируемой мощности. Здесь ситуация усугубляется еще и тем, что нагрузкой коммутирующих ключей РМ являются обмотки статора или якоря электродвигателя, имеющие довольно большую индуктивность. А при коммутации индуктивности, как известно, возникает значительная противо-ЭДС, величина которой часто может во много раз превышать напряжение питания, в отдельных случаях - до 10 раз. (Посчитайте, сколько это будет при 8, 7 вольта!? ). Поэтому можно утверждать, что эти цепи наиболее подвержены выходу из строя по причине теплового пробоя. А так как обычно в РМ стоит единственная микросхема, содержащая как цепи обработки канального импульса, так и силовые цепи, управляющие работой электромотора, то вероятность ее отказа вследствие теплового пробоя резко возрастает.

Строго говоря, бывает 2 вида выхода из строя полупроводника - его пробой, приводящий к короткому замыканию, с лавинообразным отказом других элементов, включенных последовательно полупроводнику (прежде всего это другие полупроводники и резисторы), и обрыв - менее опасный отказ, который обычно не влечет за собой повреждение других элементов схемы. Правда, и в том, и в другом случае устройство в целом перестает работать.

Здесь было бы уместно сказать несколько слов и о самом электромоторе.

Но мы еще вернемся к этому в следующей части, когда будем рассматривать не только второй вид отказов - " функциональные отказы", но и попробуем проанализировать саму целесообразность увеличения напряжения бортового питания.

Функциональные отказы бортового оборудования
при увеличении напряжения питания

Функциональными отказами аппаратуры я называю любые периодические отклонения от нормального режима ее работы, вызванные каким-либо внешним нештатным воздействием. Функциональные отказы прекращаются, и аппаратура восстанавливает свою работоспособность, после прекращения внешнего нештатного воздействия. Но к сожалению, это происходит не всегда. Хотя можно уверенно сказать, что любому фатальному отказу обычно предшествует функциональный отказ, длящийся какое-то время.

В нашем случае причиной (внешним воздействием), вызывающей функциональный отказ, будет повышенное напряжение питания.

Возникновение функционального отказа означает только одно - какой-то (или какие-то) элементы радиоэлектронного устройства был выведен из рабочего режима. Разумеется, речь может идти только об активном полупроводниковом элементе: транзисторе, микросхеме или (в редких случаях) о диоде. Резисторы, индуктивности и конденсаторы, как пассивные элементы, не подвержены выходу из рабочего режима при изменении напряжения питания (вариант фатального отказа мы уже рассмотрели), поэтому функциональный отказ не может возникнуть из-за этих элементов.

Одним из самых типичных и довольно часто возникающих функциональных отказов является рассогласование уровней сигнала между отдельными каскадами аппаратуры. Такое рассогласование, в принципе, может возникнуть как внутри самого приемника (допустим, между микросхемой радиоприемного тракта и микросхемой декодера), так и между приемником и рулевой машинкой.

Не нужно объяснять, что любое радиоэлектронное устройство при разработке оптимизируется для работы от определенного напряжения питания. Наилучшие электрические параметры схема будет иметь только в том случае, если напряжение питания будет равно или близко к расчетному. Но так как RC-аппаратура предназначена для работы от аккумуляторной батареи, ЭДС которой довольно сильно изменяется во времени, абсолютное большинство радиоприемных устройств имеет встроенный стабилизатор напряжения.. Это устройство поддерживает напряжение в цепях питания приемника на каком-то определенном уровне, заведомо меньшем, чем напряжение заряженного аккумулятора. Обычно на выходе стабилизатора напряжения равно 3, 3 вольта. Этот уровень напряжения будет стабильным до тех пор, пока ЭДС аккумулятора не станет меньше примерно 4-х вольт. И даже если вы добавите в аккумулятор несколько банок, увеличив тем самым его напряжение до 7-10 вольт, встроенный в приемник стабилизатор все равно будет подавать на схему те же самые 3, 3 вольта. С одной стороны это стабилизирует все рабочие режимы схемы, гарантируя нормальную их работоспособность, а с другой стороны еще и защищает от возникновения фатального отказа приемника.

Казалось бы - все должно быть нормально. Но борт " вдруг" перестает работать, как только вы добавляете лишний элемент в аккумулятор. Рулевые машинки или перестают работать вообще, или хаотически дергаются, только изредка пытаясь следовать за ручкой управления. В чем же тут дело?

А дело как раз в том, что после увеличения напряжения питания, где-то произошло рассогласование уровней. Я уже говорил, что есть два наиболее вероятных места такого рассогласования.

Первое - это рассогласование уровней сигнала между микросхемой радиоприемника и микросхемой декодера, и второе - между выходом декодера и рулевой машинкой. Механизм рассогласования и в том и в другом случае одинаков, поэтому я расскажу о нем на примере первого варианта.

Для того, чтобы понять, почему происходит такое рассогласование, нужно вспомнить, как работают цифровые микросхемы - неотъемлемые составляющие декодера и входных цепей рулевых машинок.

Образно говоря, цифровая микросхема это выключатель, который управляется под воздействием входного сигнала (или нескольких сигналов). В цифровых микросхемах уровень выходного сигнала может иметь только два значения - уровень логической единицы, или уровень логического нуля. Уровень единицы близок к уровню напряжения питания микросхемы (обычно он чуть меньше, примерно на 0, 3-0, 7 вольта), а уровень нуля на такую же величину больше потенциала общего провода (массы).

Входные сигналы для управления цифровой микросхемой также могут иметь два значения. Но здесь обычно говорят о пороге срабатывания, т.е. о напряжении на входе микросхемы, при котором ее выходной уровень изменяется на противоположный. У большинства цифровых (логических) микросхем это напряжение (порог срабатывания) близко к половине питающего напряжения.

А вот теперь давайте рассмотрим такую ситуацию. Микросхема радиоприемника питается от встроенного стабилизатора напряжения 3, 3 вольта. Очевидно, что в этом случае выходной сигнал приемника не может быть выше 3, 0-3, 3 вольт. А на микросхему декодера питание подается непосредственно от аккумуляторной батареи. Если напряжение аккумулятора стандартное, т.е. равно 4, 8 вольта, то порог срабатывания входной логики декодера будет равен ~ 2, 4 вольта, т.е. уровня выходного каскада приемника (~3, 0 вольта) достаточно для того, чтобы микросхема декодера " переключилась". Но как только мы увеличим напряжение питания до 6, 0 вольт, до 3, 0 вольт возрастет и уровень срабатывания входной логики декодера, и уровня выходного сигнала приемника скорее всего окажется уже не достаточно для гарантированного переключения входной логики декодера. Как говорится - приехали...

Если же весь приемник, включая декодер, питается через стабилизатор напряжения, то между собой они конфликтовать не будут, их работоспособность гарантирована при очень больших отклонениях напряжения питания. Но тогда конфликт обязательно возникнет уже в другом месте - на входе логики рулевой машинки. Ведь теперь уровень выходного сигнала декодера будет всего 3, 0 вольта!

Конечно, есть специальные способы (кстати - достаточно простые), позволяющие обеспечить согласование каскадов при разной величине питающего напряжения, но далеко не факт, что фирмы производители сервомеханизмов для радиоуправляемых моделей предусмотрели, что кто-то из вас захочет поиздеваться над их изделием, загоняя его в непредусмотренный режим работы...

Ну и в заключение проанализируем, что же побуждает нас увеличивать количество элементов в аккумуляторе, и что мы будем иметь, реализовав эту задумку.

Что побуждает?

1) Желание увеличить время работы борта от аккумулятора;

2) Желание увеличить усилие и быстродействие стандартных рулевых машинок.

Других причин, по которым стоило бы увеличивать напряжение аккумулятора я не вижу...

А будем ли мы это иметь, и если да, то какой ценой?

Что касается существенного увеличения времени работы от одного аккумулятора, то вряд ли... Давайте считать:

Увеличив количество банок, без изменения их емкости, мы прежде всего начнем терять энергию на тепловых потерях в стабилизаторе напряжения - ведь для того, чтобы подать положенные 3, 3 вольта на приемник, стабилизатору придется " гасить" на себе лишние 2-3 вольта. Это - прямые потери, как говорится - " деньги на ветер".

Что касается выигрыша по времени, он все-таки будет, но очень не значительный. Объясню. Казалось бы, добавив в аккумулятор лишнюю банку-две, мы пропорционально продлеваем время работы приемника (в целом) за счет стабилизатора - он дольше сможет " высасывать" энергию из батареи. Но это - самообман. До тех пор, пока каждая банка аккумулятора выдает стабильные 1, 2 вольта (длительный рабочий режим), " лишнее" напряжение будет греть воздух. Время этого периода работы практически не увеличится, а как станет ясно дальше, может даже и сократиться! И только когда аккумулятор отдаст примерно 80-90% запасенной энергии, и напряжение на нем начнет резко снижаться, мы сможем получить какой-то временной выигрыш - действительно, аккумулятор из пяти, а тем более из шести банок, сможет НА НЕСКОЛЬКО МИНУТ дольше четырехбаночного аккумулятора развивать суммарную ЭДС на уровне 4, 0 вольт, необходимых для нормальной работы стабилизатора. Но это будет работа, что называется, " на грани фола", и никто не сможет гарантировать стабильности этого режима. Это касается приемника.

С рулевой машинкой дела будут обстоять еще хуже. Эти устройства обычно не имеют внутреннего стабилизатора напряжения. Следовательно, увеличение напряжения питания однозначно вызовет пропорциональное увеличение тока во всех ее цепях, и квадратичное увеличение потребляемой мощности. А это, в свою очередь, приведет к ускоренному разряду аккумулятора!

Конечно, выигрыш в усилии, развиваемом РМ будет налицо, да и ее " скорострельность" увеличится, но все знают, что бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Двух-трехкратное увеличение снимаемой с двигателя мощности еще больше ускорит разряд аккумулятора, увеличит износ щеток и коллектора электромотора, износ осей и зубьев шестерен редуктора и увеличение люфтов. Повышенное искрение коллекторного узла электромотора будет дополнительно провоцировать выход из строя силовых ключей управляющей микросхемы РМ. Ресурс всего устройства сократится однозначно, и довольно сильно. К тому же не исключена и простая механическая поломка любой детали редуктора (ведь детали не рассчитаны на передачу повышенных усилий! ), качалки, тяг, или даже рулей самой модели.

Выводы

Теперь можно подвести итоги, и сделать некоторые выводы. Итак, в результате увеличения количества элементов в аккумуляторе, максимальное/рабочее напряжение бортовой сети возрастет:

до 7, 25/6, 0 вольт для 5 банок,
до 8, 7/7, 2 вольта для 6 банок,
до 7, 0/6, 2 вольта для 2 LiPo элементов.

В результате такой модернизации потенциально могут выйти из строя только электролитические конденсаторы в приемнике и в рулевых машинках, если их рабочее напряжение меньше 10, 0 вольт. Прямой опасности для остальных деталей и элементов схемы нет.

Косвенно (в результате теплового пробоя) могут быть повреждены, прежде всего, микросхемы рулевых машинок. Кроме того, наверняка в целом сократится ресурс работы этих устройств, вследствие резкого увеличения потребляемой мощности и повышения механического износа.

Надежность работы бортовых устройств может снизиться, в результате рассогласования уровней межкаскадных сигналов (не факт, но исключать этого я бы не стал). В наибольшей степени это касается 6-баночного варианта аккумулятора.

Время работы борта от аккумулятора с бОльшим уровнем напряжения при прочих равных условиях (прежде всего - емкости акку) не только не увеличится, но может даже и сократиться, за счет полуторо-двукратного увеличения потребляемого тока.

Повышенная токоотдача аккумулятора может сократить срок работы аккумулятора.

Примерно в 1, 5 раза возрастет быстродействие рулевых машинок и развиваемое ими усилие на валу. Правда при резком сокращении их ресурса и эксплуатационной надежности. (Очевидно это единственный, но довольно спорный аргумент " за"...)

На мой взгляд гораздо полезнее (как с технической, так и с экономической точки зрения) будет увеличение не напряжения бортовой батареи, а ее емкости - именно эта величина определяет время работы всех бортовых устройств. В том случае, если вам необходима бОльшая скорость работы (или мощность) рулевой машинки, то целесообразнее будет просто заменить ее на другую, фирменную, и с соответствующими параметрами, чем " выжимать" последние усилия из дешевой ширпотребной " китаянки". В настоящее время многие фирмы выпускают РМ, специально рассчитанные на работу от источника с повышенным напряжением, и такие машинки наверняка имеют цепи, согласующие уровни сигналов.

Если же вы, руководствуясь какими-то сиюминутными мотивами все же решите использовать в нештатном режиме стандартную РМ, примите меры по предотвращению функциональных отказов по описанной выше причине.

Проще всего сделать дополнительное согласующее устройство на обычной логической КМОП микросхеме, содержащей 4-6 элементов, лучше - НЕинвертирующих, еще лучше - с открытым выходом. В случае использования, допустим одной микросхемы 564ПУ6 вы сможете согласовать сразу 6 рулевых машинок. Эта микросхема содержит 6 неинвертирующих преобразователя уровня, и 2 контакта питания - низкий (со стабилизатора приемника) и высокий (непосредственно от аккумулятора). В крайнем случае можно использовать две последовательно-поэлементно включенные микросхемы, содержащие 4 любых логических элемента (ЛА, ЛР) с инвертирующим выходом, или 6 инвертирующих повторителей (ЛН, ПУ). Первая микросхема должна запитываться от цепей питания приемника, а вторая - от аккумулятора. Выбор микросхем сейчас очень велик, поэтому каждый сможет подобрать для себя оптимальный вариант.

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: