Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

3… 2…1… Start! czyli jak bezpiecznie aktywować silniki w rakiecie

3… 2…1… Start! czyli jak bezpiecznie aktywować silniki w rakiecie
Przy projektowaniu rakiet modelarskich, w celach konkursowych czy dowolnych innych, zawsze na pierwszym miejscu powinno stać bezpieczeństwo. Stąd też istnieje bardzo duże zapotrzebowanie na niezawodny system zapłonu silników. Klasyczną metodą wykorzystywaną od dawna i stosowaną do dziś w niewielkich modelach rakiet są oczywiście lonty pirotechniczne. Obecnie jednak zalecane jest stosowanie zapalników elektrycznych (nazywanych również zapałkami elektrycznymi), gdyż zapewniają one większą niezawodność przy jednoczesnym umożliwieniu zachowania znacznie większej odległości od punktu startu rakiety.
1. Wieko zapalnika

Lonty mogą być pod ręką na wypadek zgubienia lub uszkodzenia zapałek elektrycznych, jednak należy pamiętać o zachowaniu ostrożności, gdyż nie wszystkie silniki rakietowe są zaprojektowane z myślą o możliwości zapłonu przy użyciu lontu. Z tego też powodu zapałki elektryczne są często najbezpieczniejszą opcją na przeprowadzenie pomyślnego startu.

Niewielkie, pojedyncze zapalniki elektryczne można zasilić, zwierając klasyczną baterię 9 V do przewodów połączeniowych, jednak trzeba przyznać, że rozwiązanie takie jest mało profesjonalne i bardzo ryzykowne, jeśli zapalników jest więcej niż jeden lub wymagają dużego natężenia prądu do aktywacji. Dlatego też do bezpiecznego zasilania zapalników elektrycznych potrzebny jest odpowiednio zaprojektowany kontroler. Urządzenie to powinno spełniać szereg wymogów: powinno być niezawodne, odporne na czynniki środowiskowe, zabezpieczone przed przypadkową aktywacją oraz zdolne do natychmiastowej aktywacji wymaganej liczby zapalników. Dodatkowo kontroler może być zaprojektowany tak, żeby wykrywać, czy zapalniki są do niego podłączone i jeśli tak, to ile ich jest. Zaprezentowany tutaj będzie projekt względnie prostego kontrolera, który jest w stanie sprawdzić, czy zapalnik jest prawidłowo podłączony.

Budowa

Zacznijmy od ogólnego opisu tego urządzenia: Po podłączeniu zapałki elektrycznej i upewnieniu się, że jest się gotowym do startu rakiety, należy podłączyć zasilanie. Następnie należy włączyć (przełącznik P1) oraz uzbroić (przełącznik na klucz K1) urządzenie. W chwili uzbrojenia kontrolera włączą się LED2 i LED w przycisku B1 oraz widoczne będzie, czy kontroler wykrył podłączony zapalnik (LED4 się świeci, jeśli tak, LED3 się świeci, jeśli nie). Jeśli zapalnik został wykryty, naciśnięcie dużego, czerwonego przycisku (B1) lub podanie stanu wysokiego na wejście sygnału startu spowoduje aktywację zapalnika.

Kilka słów o tym, jak kontroler działa w szczegółach

1. Zasilanie 5 V

Zasilanie to jest dosyć proste, ponieważ wykorzystany został gotowy moduł przetwornicy step-down. Jedna dioda prostownicza zabezpiecza przetwornicę w przypadku błędnego podłączeniem zasilania. LED1 wskazuje użytkownikowi, że zasilanie zostało włączone.

Przetwornica jest elementem mającym największy wpływ na napięcie zasilania kontrolera, gdyż pozostałe elementy podłączone bezpośrednio do zewnętrznego zasilania są w stanie wytrzymać znacznie wyższe napięcie. Rezystor przy diodzie LED powinien być dobrany zależnie od koloru użytej diody (informacje, jak to zrobić, można łatwo znaleźć w Internecie). Tak samo będzie w przypadku każdej pozostałej diody w schemacie.

2. Klucz

Najprostszym rozwiązaniem sygnalizacji uzbrojenia kontrolera byłoby podłączenie LED-a między 5 V a masę za przełącznikiem (tutaj: na prawo od K1), jednak w tym projekcie dodany został przekaźnik w celu zwiększenia feedbacku odczuwanego przez użytkownika. Sam przekaźnik nie przenosi znacznych natężeń prądu, ma jedynie kliknąć przy uzbrajaniu kontrolera.

B1-LED jest diodą mieszczącą się w dużym, czerwonym przycisku i ma własny rezystor w swojej obudowie. Wartości rezystorów R5 i R6 powinny być rzędu kilku kΩ. Wszystkie tranzystory użyte w kontrolerze działają jak proste przełączniki, więc dokładny model nie jest istotny tak jak użyty odpowiedni rodzaj tranzystora. Preferowane są jednak modele, które włączają się przy możliwie najniższym prądzie bazy.

3. Wykrywanie zapalnika

Obwód wykrywający obecność zapalnika wykorzystuje pojedynczy tranzystor PNP oraz parę rezystorów. R8 powinien mieć wartość kilku kΩ. R10 musi zapewnić, że przez zapalnik nie przepłynie zbyt duży prąd. Dla 5 V  oznacza to wartość 5 kΩ, ponieważ ograniczy to natężenie prądu do 1 mA. Taka wartość nie powinna być w stanie doprowadzić do niechcianego włączenia zapalnika, jednocześnie pozwalając tranzystorowi włączyć się wystarczająco, aby bramki logiczne wykryły napięcie na rezystorze R8 jako stan wysoki. W rzeczywistości można dobrać rezystor o wartości niższej niż 5 kΩ, taki jak popularne 4,7 kΩ, gdyż dodatkowy opór spowodowany tranzystorem oraz, w mniejszym stopniu, zapalnikiem efektywnie wyrówna tę różnicę.

Jeśli obwód do zapalnika jest otwarty, napięcie na rezystorze R8 jest równe 0, co bramki logiczne uznają za logiczne zero, w efekcie czego LED wskazujący na brak zapalnika będzie się świecił.

Jeśli obwód do zapalnika jest zamknięty, tranzystor włączy się, więc przez R8 przepływał będzie prąd. Spowoduje to, że na rezystorze pojawi się napięcie bliskie 5 V, co bramki logiczne uznają za logiczną jedynkę, tym samym zapalając LED wskazujący na obecność zapalnika. Aby zapewnić większą pewność działania tego obwodu, pomiędzy rezystor i bramki logiczne można dodać np. przerzutnik Schmitta. Długi element podobny do rezystora nie istnieje w rzeczywistym urządzeniu, jest on tutaj, ponieważ program, w którym tworzony był schemat, nie pozwalał na podłączenie układów logicznych bezpośrednio do rezystora. Dokładny model użytych bramek logicznych nie jest ważny. Należy jednak upewnić się, że są one stworzone z myślą o napięciu tworzonym przez użytą przetwornicę (tutaj: 5 V).

2. Schemat elektryczny układu
3. Widok połączeń 

4. Duży, czerwony przycisk

4. Zmontowany i zamknięty w obudowie kontroler - gotowy do startu

W tym miejscu ważny jest dobór przekaźnika. Musi on wytrzymać bardzo duży prąd chwilowy oraz jednocześnie bardzo szybko zamykać obwód. Tutaj wykorzystany został przekaźnik statyczny, ponieważ taki akurat był dostępny. Oprócz standardowego włączenia przekaźnika za pomocą przycisku, dodane zostało także złącze pozwalające na włączenie go sygnałem 5 V, np. z Arduino. Diody widoczne tutaj są zwyczajnymi diodami prostowniczymi. Element podobny do rezystora po prawej stronie tej części schematu jedynie rozdziela dwa segmenty przewodu, żeby móc nadać im różne nazwy w użytym programie. W rzeczywistym obwodzie ten element nie istnieje. W przycisku znajduje się LED, który włącza się z chwilą uzbrojenia kontrolera. R9 powinno mieć wartość od kilkuset do paru tysięcy omów. Rezystor ten zabezpiecza wejście sygnału startu oraz przycisk przed zwarciem w razie uszkodzenia tranzystora. Zbyt wysoka wartość może ograniczyć prąd przez tranzystor i stworzyć problemy z zamknięciem obwodu przez przekaźnik.

5. LED test

Na schemacie widoczny jest jeszcze ten przełącznik, który używany jest do jednoczesnego włączenia wszystkich LED-ów w celu sprawdzenia, czy one działają. Wciśnięcie go powoduje pojawienie się logicznego 1 na wszystkich bramkach OR włączających diody. R7 powinien mieć wartość rzędu kilku kΩ.

Obwód został wykonany na płytkach prototypowych. Przetwornica i przekaźnik użyty przy uzbrojeniu są na gotowych, własnych modułach. 

Kontroler został skonstruowany z drewna i sklejki drewnianej. Wierzchnia i spodnia część zostały wykonane ze sklejki. W wierzchu zostały wywiercone otwory na LED-y oraz przyciski/przełączniki. Niektóre części miały prostokątne obudowy, więc otwory pasujące do nich zostały wyżłobione dłutem. Boki pudełka zostały wycięte z deski drewnianej. Otwory na połączenia zostały wycięte na krawędziach za pomocą brzeszczotu. Do złożenia pudełka użyto wkrętów, co pozwoli na otwarcie go w razie potrzeby. Do dodatkowej ochrony kontrolera przed czynnikami środowiskowymi (np. wilgocią) szczeliny można uzupełnić masą szpachlową do drewna i następnie całość pomalować farbą w swoim ulubionym kolorze. 

Konrad Wszelaki, Sebastian Dziura
Członkowie SKN Kosmos Politechniki Łódzkiej

Zobacz także:

Kultowe polskie P.11
Gerris USV - hydrodron od podstaw!
Uniwersalny zasilacz modelarski UZM 100