機(jī)載型航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)智能點(diǎn)火裝置

北京航空航天大學(xué) 黃宇嵩

1.緒論

1.1 項(xiàng)目背景

航模運(yùn)動(dòng)是集科技、體育與實(shí)踐于一體、且綜合性很強(qiáng)的一項(xiàng)活動(dòng)。實(shí)踐證明：開(kāi)展這項(xiàng)活動(dòng)是促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際和有效提高青少年綜合素質(zhì)的一種教育形式。由于航?；顒?dòng)涉及的知識(shí)面較寬，入門難度較大，加上油動(dòng)航空模型又是這類活動(dòng)最具難度的項(xiàng)目，因而使許多青少年愛(ài)好者難于入門，最終望而卻步。

航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)用的點(diǎn)火裝置性能優(yōu)劣與否，直接關(guān)系著航模發(fā)動(dòng)機(jī)能否順利地啟動(dòng)。點(diǎn)火裝置隨著技術(shù)的發(fā)展，已歷經(jīng)錳鋅電池、甲電池、單隔鉛酸蓄電池、免維護(hù)蓄電池、鎳鎘充電電池和串聯(lián)式穩(wěn)壓電源等多種形式，其性能、技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄A。

上述在油動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)中先后流行過(guò)的幾種點(diǎn)火裝置，其中大部分點(diǎn)火裝置(點(diǎn)火器)在支持大電流、連續(xù)放電等方面均存在一定缺陷，而且難于支持工作電流大于4A的日本產(chǎn)OS牌8﹟冷型電熱塞，也不適合在點(diǎn)火電量要求較高的四沖程航模發(fā)動(dòng)機(jī)上使用；且這些點(diǎn)火裝置不具備自動(dòng)檢測(cè)、工作狀態(tài)指示等功能，電熱塞是否工作在正常狀態(tài)無(wú)法識(shí)別，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)的原因無(wú)法準(zhǔn)確判斷，因而或多或少的影響電熱塞的正常工作，致使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)特別困難。有時(shí)不清楚故障何在，甚至要把電熱塞從模型發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下來(lái)，反復(fù)檢查、測(cè)試電熱塞、點(diǎn)火裝置或供電電源的性能是否正常等煩瑣過(guò)程。

1.2 項(xiàng)目的產(chǎn)生

在航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)困難司空見(jiàn)慣，究其原因：一是由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，不像汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置那么完善；二是點(diǎn)火器根本沒(méi)工作或電力不足；三是發(fā)動(dòng)機(jī)的油路與電路有時(shí)多種故障交織在一起，故障性質(zhì)很難正確區(qū)分；四是前置化油器發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋漿的旋轉(zhuǎn)面與油針、電熱塞之間距離太近，初學(xué)者均存在害怕打傷手指的恐懼心理；五是初學(xué)者盲目操作越調(diào)越亂，進(jìn)而造成點(diǎn)火器中的充電電池電量迅速消耗。這些問(wèn)題在很大程度上阻礙了這項(xiàng)科技活動(dòng)的開(kāi)展與普及。

航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的原因：

航模電熱式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)，往往有幾方面的因素造成，而且有些故障是多種故障組合后的結(jié)果。

(1)油路方面

①發(fā)動(dòng)機(jī)上的電熱塞是否擰緊，是否漏氣；

②主油門開(kāi)啟的大或小是否合適；

③化油器(風(fēng)門兼油門)開(kāi)口大小是否合適；

④怠速油針開(kāi)啟的大小是否合適；

⑤主、副油針貧油或富油判斷是否正確；

⑥電熱塞型號(hào)(熱度)的選擇是否合適。

(2)電路部分

①點(diǎn)火裝置供電電源的正負(fù)極接法正確與否；

②供電電源的電量是否正常；

③電熱塞工作狀態(tài)是正常、短路，還是開(kāi)路；

④點(diǎn)火裝置本身的性能是否正常(空載)；

⑤點(diǎn)火裝置工作時(shí)，各階段工作狀態(tài)是否正常(滿載)。

(3)其他方面

在外場(chǎng)訓(xùn)練活動(dòng)中，因操作者經(jīng)驗(yàn)不足點(diǎn)火裝置缺電的情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致從外場(chǎng)無(wú)功而返。不僅如此，就是在全國(guó)性空模比賽時(shí)，也能時(shí)?？吹絺€(gè)別選手因準(zhǔn)備工作不充分，發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置在關(guān)鍵時(shí)刻不能正常使用。

3A、象真型等模型飛機(jī)為了外觀需要，發(fā)動(dòng)機(jī)多采取倒裝或側(cè)裝方式。首先是因電熱塞在發(fā)動(dòng)機(jī)下方不便加電點(diǎn)火；二是因電熱塞浸在燃油中致使點(diǎn)火啟動(dòng)困難；三是發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容易造成富油而熄火。

目前，盡管用于模型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的點(diǎn)火裝置，如：點(diǎn)火器比較流行，但它們均存在程度不同的問(wèn)題。特別是對(duì)那些初涉油動(dòng)模型的愛(ài)好者們，如何順利點(diǎn)火啟動(dòng)油動(dòng)航模發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)是空模入門成敗之關(guān)鍵。在眾多影響因素中，以點(diǎn)火裝置性能欠佳或供電電池容量不足或電池缺電的情況居多。

由此可見(jiàn)：航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置的性能優(yōu)劣與否，直接關(guān)系著油動(dòng)模型發(fā)動(dòng)機(jī)能否順利點(diǎn)火啟動(dòng)。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置主要考慮其重量與尺寸方面要有利于微型化、輕量化的要求。

為了方便廣大航模初學(xué)者的使用，為了有利于航模這項(xiàng)科技活動(dòng)的推廣與普及，必須大幅度降低航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)初學(xué)者的入門難度，設(shè)法利用電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，來(lái)彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單而導(dǎo)致難于點(diǎn)火啟動(dòng)的缺陷，使原本交叉而又復(fù)雜的問(wèn)題趨于簡(jiǎn)單，徹底改變多年來(lái)操作者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)或盲地操作的落后格局。

為解決航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)因傳統(tǒng)點(diǎn)火裝置性能欠佳、功能不全等突出問(wèn)題，在設(shè)計(jì)新款點(diǎn)火裝置時(shí)，充分考慮適合初學(xué)者和外場(chǎng)惡劣環(huán)境下使用等特殊要求，利用電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，力爭(zhēng)在電路設(shè)計(jì)方面有所突破，變過(guò)去點(diǎn)火啟動(dòng)盲目化操作，為簡(jiǎn)單化、人性化、智能化地輕松操作。

2.1 目標(biāo)任務(wù)

(1)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置在使用方面，應(yīng)該更方便，更人性化、更加適合廣大航模初學(xué)者使用，更加有利于航模這項(xiàng)科技活動(dòng)的推廣與普及；

圖1 電路工作原理方框圖（注：虛線方框內(nèi)是DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊）

圖2 機(jī)載型點(diǎn)火裝置電路工作原理圖

(2)該點(diǎn)火裝置具有智能檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)果顯示功能，使模型發(fā)動(dòng)機(jī)、電熱塞在點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)行狀態(tài)有多重指示效果；

(3)支持大電流、連續(xù)放電，供電電源電壓適應(yīng)范圍寬；

(4)有多種自動(dòng)保護(hù)等智能功能，增加BEC輸出端口；

(5)利用容量大、重量輕的新型聚合物鋰電池組；

(6)適合于二沖程航模發(fā)動(dòng)機(jī)，也適合在點(diǎn)火電力相對(duì)較高的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上使用；

(7)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置成為航模機(jī)載電子設(shè)備中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置(重量≤40g)。

2.2 技術(shù)方案

第一階段為在研制過(guò)程少走彎路，降低作品研制、制作難度，篩選技術(shù)成熟、技術(shù)參數(shù)接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的開(kāi)關(guān)電源模塊，最后確定性能比較好的非隔離型直流轉(zhuǎn)直流YDS-305開(kāi)關(guān)電源模塊作為制作機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的主干器件(篩選過(guò)程略)。

第二階段對(duì)開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓、輸出電流等電氣指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性技術(shù)改造。

第三階段開(kāi)關(guān)電源模塊以外的外圍電路采取簡(jiǎn)捷有效的非典型接法，其中包括：供電電源極性識(shí)別電路、指示電壓提升電路、特殊電路和輸入輸出工作狀態(tài)邏輯指示等電路。

第四階段以工具型點(diǎn)火裝置的原理機(jī)和成品作為研究、試驗(yàn)的基礎(chǔ)，大尺寸工具型點(diǎn)火裝置方便于制作、試驗(yàn)和技術(shù)參數(shù)的提取，為機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置做技術(shù)準(zhǔn)備。

第五階段機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置所有技術(shù)參數(shù)來(lái)源于工具型點(diǎn)火裝置，逐步在微型化、輕量化方面提出設(shè)計(jì)方案。機(jī)載型點(diǎn)火裝置仿臺(tái)式電腦板卡采用裸板以減小重量和體積。

3.工作原理

3.1 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置電路工作原理(如圖1)

3.2 DC/DC電源模塊部分電路工作原理

圖2是YDS—305DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊和外圍電路組成的機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置電路工作原理圖。整個(gè)電路以脈沖寬度調(diào)制器MB3759為核心，主要由自激振蕩電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓控制電路、限流控制電路、降壓式變換器輸出電路5個(gè)部分組成。

3.2.1 自激振蕩電路

圖3 開(kāi)關(guān)電源模塊的推薦接法

圖4 改進(jìn)后的接法

圖5 機(jī)載型點(diǎn)火裝置電源模塊及外圍電路接線原理圖

由電容C8、電阻R12與脈沖寬度調(diào)制器形成振蕩，C8與R12分別與集成電路IC的5腳和6腳連接后并聯(lián)接地。集成電路IC內(nèi)部電路振蕩頻率fs=1/(0.817R12C8+1.42×10-6)=90kHZ，振蕩周期TS=11μs。集成電路IC的脈沖輸出控制端13腳和4腳、7腳接地，故PWM脈沖設(shè)置為并聯(lián)輸出。

3.2.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路

由晶體管Q1、Q2、Q4、二極管、D7、D5、電容C10、C11等元件組成。集成電路IC中的調(diào)寬脈沖輸出級(jí)兩晶體管接成共射方式，PWM脈沖從集成電路IC中的8腳、11腳并聯(lián)輸出，經(jīng)電阻R13后，在開(kāi)關(guān)管Q1、Q2組成的驅(qū)動(dòng)放大電路中進(jìn)行放大，并經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q2的發(fā)射極送至降壓式變換器電路輸出級(jí)。由于降壓式變換器電路中Q3采用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管(Q3為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管NMOSFET，型號(hào)為2SK2018)，為保證場(chǎng)效應(yīng)管Q3充分導(dǎo)通，必須使VGS≥4V。但是當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管Q3導(dǎo)通時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q3源極S的電位等于輸入電壓。因此，PWM驅(qū)動(dòng)級(jí)的供電電源電壓必須高于輸入電壓，為此要通過(guò)輸入電壓建立輔助電源。

所述的輔助電源由二極管D7、D8、電容C10、C11元件構(gòu)成，該輔助電源可提供10V電源電壓。該輔助電源的工作原理是：當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管Q3截止且續(xù)流二極管D9導(dǎo)通時(shí),輸入電壓經(jīng)二極管D8給電容C11快速充電，電容C11充滿電時(shí)兩端電壓就等于輸入電壓。該輸入電壓經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q4、二極管D7組成的串聯(lián)穩(wěn)壓得到10V輔助電源，與場(chǎng)效應(yīng)管Q3源極S的電位疊加后作為PWM驅(qū)動(dòng)級(jí)的供電電源。這樣就保證了場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極G比源極S高10V，從而保證了場(chǎng)效應(yīng)管Q3充分導(dǎo)通。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：雖然輔助電源是10V串聯(lián)穩(wěn)壓電源，但當(dāng)輸入電壓大于4V而小于10V時(shí)，此串聯(lián)穩(wěn)壓電路起電壓跟隨作用，場(chǎng)效應(yīng)管Q3仍能導(dǎo)通。串聯(lián)穩(wěn)壓電路設(shè)定10V輸出的原因，是防止高輸入電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極G、源極S被擊穿。

3.2.3 降壓式變換器輸出電路

由場(chǎng)效應(yīng)管Q3、續(xù)流二極管D9、電感L2、濾波電容C2、二極管D6等元件組成。當(dāng)集成電路IC輸出的PWM脈沖為低電平時(shí)，經(jīng)Q1倒相放大變?yōu)楦唠娖?，由開(kāi)關(guān)管Q2發(fā)射極輸出器送到降壓式變換器場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極G，使場(chǎng)效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，電感L2充電儲(chǔ)能，此時(shí)續(xù)流二極管D9截止。當(dāng)集成電路IC輸出的PWM脈沖為高電平時(shí)，經(jīng)倒相放大管Q1倒相放大變?yōu)榈碗娖?，由開(kāi)關(guān)管Q2射極輸出器送到降壓式變換器場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極G，場(chǎng)效應(yīng)管Q3截止；此時(shí)由于電感L2中的感應(yīng)電壓變?yōu)樯县?fù)下正，而使續(xù)流二極管D9導(dǎo)通，電感L2中的儲(chǔ)能泄放給負(fù)載R0。當(dāng)電感L2中的電流iL大于輸出電流I0時(shí)，電容C2充電儲(chǔ)能，當(dāng)電感L2中的電流iL小于輸出電流I0時(shí)，電容C2放電給負(fù)載。二極管D6是泄放引導(dǎo)二極管，用于泄放場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵、源結(jié)電容電荷，加速場(chǎng)效應(yīng)管Q3的關(guān)斷過(guò)程，減小關(guān)斷損耗。其工作原理是：當(dāng)?shù)瓜喾糯蠊躋1的集電極為低電平時(shí)，二極管D6導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵、源結(jié)電容電荷迅速放掉，場(chǎng)效應(yīng)管Q3迅速截止。

圖6

3.2.4 穩(wěn)壓控制電路

由電阻R7、R3、R4、R6、電容C5與集成電路IC內(nèi)部的運(yùn)放1（脈沖寬度調(diào)制器）組成。電阻R7、R3連接在集成電路IC的2腳和14腳之間，對(duì)集成電路IC的5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，得到1.8V電壓，送到IC內(nèi)部運(yùn)放1的反向端集成電路2腳作為誤差比較基準(zhǔn)電壓。電阻R4、R6對(duì)輸出電壓V0進(jìn)行分壓，得到誤差電壓，送到IC中的運(yùn)放1的同相端集成電路1腳。將誤差電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，控制PWM脈沖的占空比，使輸出電壓保持不變。例如：當(dāng)輸入電壓升高而使輸出電壓V0升高時(shí)，進(jìn)行以下控制過(guò)程：V0↑→V1↑→V3↑→占空比↓→V0↓，從而保持輸出電壓V0不變。電容C5接在電阻R4的兩端，用于控制穩(wěn)壓反應(yīng)過(guò)程，防止瞬間過(guò)壓。(注：V0＝Vout，V1、V3指集成電路1腳、3腳的對(duì)地電壓，↑表示增加，↓表示降低)

3.2.5 限流控制電路

由電阻R10、R11、R5、R1、R17與集成電路IC內(nèi)部的運(yùn)放2組成。電阻R17用于對(duì)輸出電流進(jìn)行取樣，取樣電壓以差分方式，然后經(jīng)過(guò)電阻R1和電阻R11后送到IC內(nèi)部的運(yùn)放2的反相端15腳和同相端16腳。例如:當(dāng)輸出電流對(duì)大于額定電流時(shí)，進(jìn)行以下控制過(guò)程：V16>V15→V3↑→占空比↓→V0↓→I0↓，從而保持I0限定在額定電流范圍內(nèi)。(注：I0＝Iout)

3.3 改進(jìn)提高DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊的電氣性能

因?yàn)閅DS—305 DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電壓和輸出電流等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)不符合機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的技術(shù)要求，所以，必須對(duì)電源模塊輸出電壓、輸出電流等電氣指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

3.3.1 改進(jìn)DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓的調(diào)整范圍

表1 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置、電熱塞工作狀態(tài)邏輯指示表（括號(hào)內(nèi)文字為按下AN開(kāi)關(guān)的結(jié)果）

在輸入電壓為7-30V時(shí)，YDS-305 DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊標(biāo)稱輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：1.8-5.0V，而機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置要求的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍是1.2-1.6V。因此，原有開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電壓區(qū)間值顯然不能直接使用。根據(jù)開(kāi)關(guān)電源模塊電路原理分析，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，將DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓調(diào)節(jié)的原有推薦接法(見(jiàn)圖3)，改成如圖4的接法，改進(jìn)后的接法其輸出電壓固定為：1.8V。

3.3.2 確定DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓調(diào)整范圍

為適合不同熱度、不同型號(hào)電熱塞的工作需要，那么輸出電壓應(yīng)該可調(diào)。在開(kāi)關(guān)電源模塊上電阻R3的非接地端接上1只82-100KΩ電位器W和24-36KΩ固定電阻R2，使DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓調(diào)整范圍為1.4-1.8V，這是非常理想的電壓控制范圍，具體接法見(jiàn)圖5。

3.3.3 加大DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電流

DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊標(biāo)稱輸出電流最大值為3A，機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置要求輸出電流≥4.1A。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果將1只YDS—305開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電流3.0A直接提高到4.1A，電流增加幅度并不算太大?？紤]到DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊上的場(chǎng)效應(yīng)管NMOSFET(2SK2018)其額定功率有較大余量，所以直接采取減少R17限流取樣電阻阻值的辦法，并且保證取樣電阻R17兩端的0.3V動(dòng)作電壓值，試驗(yàn)證明效果很好。具體就是在R17(0.1Ω/2W)限流取樣電阻兩端直接并入1只金屬膜電阻R18(0.24Ω/1W)，即可將電源模塊最大輸出電流擴(kuò)大到4.1A，實(shí)際接法見(jiàn)圖5。

3.4 開(kāi)關(guān)電源模塊外圍電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)上電熱塞的工作狀態(tài)，要為機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置增加監(jiān)測(cè)、測(cè)試、工作狀態(tài)邏輯指示等電路。

3.4.1 供電電源極性識(shí)別電路及指示電壓提升電路

為解決機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置供電電源極性接反的問(wèn)題，機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置特別在DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊供電電源回路中的電源負(fù)極一側(cè)接入一只正向壓降較小的肖特基二極管D1，D1的接入同時(shí)還為黃色發(fā)光二極管D3提升0.2V以上的工作電壓，接線圖見(jiàn)圖5。

3.4.2 ab跳線與電容組成的特殊電路

DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊外圍電路中ab跳線與電容C1的特殊作用，不僅有效解決了電熱塞R0正常工作時(shí)黃色發(fā)光二級(jí)管的指示問(wèn)題，同時(shí)也解決了電熱塞R0短路時(shí)的指示難題，而且大大簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源模塊的外圍的電路，增加了可靠性。否則，就需要開(kāi)關(guān)電源模塊外圍電路中增加比較復(fù)雜的測(cè)試電路，或者輔以單片機(jī)來(lái)完成測(cè)試和結(jié)果顯示等工作。

PCB電路板中設(shè)置的ab跳線與電容C1的特殊作用是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得，ab跳線可以是一段導(dǎo)線，也可以是一段制作在PCB板中的一段印刷線路。目前，通過(guò)試驗(yàn)知道ab跳線的特殊作用與其長(zhǎng)度、粗細(xì)及ab跳線布線的接入位置密切相關(guān)，與ab跳線的幾何形狀無(wú)關(guān)(如：“U”、“C”、“L”、“Ω”、環(huán)形或直線等)。ab跳線具體選擇什么形狀，可根據(jù)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置PCB板的外形和尺寸來(lái)確定，ab跳線可以采用圖6-1或圖6-2或圖6-3所示的形狀，工具型、機(jī)載型最終分別采用是圖6-1、圖6-4所示的形狀。試驗(yàn)表明，如果用同樣阻值的電阻取代ab跳線，那么其特殊作用將無(wú)法體現(xiàn)。ab跳線與電容C1的使用不僅大大簡(jiǎn)化了外圍電路外，而且試驗(yàn)證明在負(fù)載正常工作或電熱塞R0短路時(shí)效果均特別好。另外，在輸出端短路或輸出電壓大小變化時(shí)黃色指示燈的亮度基本上不發(fā)生變化，而且這種特殊作用特別可靠(暫無(wú)理論支持)。

3.4.3 在線監(jiān)視、測(cè)試機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置和電熱塞的性能及工作狀態(tài)邏輯顯示

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置上選用2只顏色不同的超高亮度發(fā)光二極管，根據(jù)供電電源極性及電熱塞狀態(tài)正常與否，機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的運(yùn)行情況和電熱塞工作狀態(tài)正常與否，能干脆利落地進(jìn)行邏輯顯示。

電熱塞工作狀態(tài)包括：電熱塞工作正常，電熱塞短路和斷路(開(kāi)路)。

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置空載最高輸出電壓為1.8V，而普通LED發(fā)光二極管工作電壓要≥1.96V才能被點(diǎn)亮。所以，設(shè)計(jì)上選用工作電壓為1.30-3.0V的超高亮度發(fā)光二極管作為機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的監(jiān)視、測(cè)試指示燈。當(dāng)引線輸出端電壓調(diào)低至1.2V時(shí)，在機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置接上電熱塞R0后，那么接在PCB板上輸出端的紅色發(fā)光二極管D4將不能被點(diǎn)亮。為解決引線輸出端接上電熱塞R0有大電流通過(guò)時(shí)，接電熱塞R0的兩根輸出引線產(chǎn)生約0.2V壓降這個(gè)現(xiàn)象，則預(yù)先在PCB板輸出端電壓提高0.2V，用于抵消電熱塞R0輸出引線損失的0.2V壓降，這樣可使PCB板輸出端的紅色發(fā)光二極管D4得到≥1.4V的正常工作電壓。

當(dāng)引線輸出端空載時(shí)，PCB板輸出端的電壓范圍是1.4-1.8V，紅色發(fā)光二極管D4點(diǎn)亮，判斷機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置性能和工作狀態(tài)正常。

在黃色超高亮度發(fā)光二極管D3負(fù)極一側(cè)，串入一只普通硅整流二極管D2，D2和D3的接法見(jiàn)圖5、圖6。在機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置引線輸出端空載或電熱塞R0斷路時(shí)(電熱塞R0燒斷)，盡管肖特基二極管D1為D3和D2提升了0.2V，但硅整流二極管D2有0.75V壓降，黃色發(fā)光二極管D3因得不到正常的工作電壓而截止。

當(dāng)正常的電熱塞R0接入并按下AN按鍵開(kāi)關(guān)后，因肖特基二極管D1上的壓降隨著通過(guò)其電流的大幅度增加而進(jìn)一步加大(肖特基二極管上的壓降≥0.35V)，再加上ab跳線和C1的特殊作用使黃色發(fā)光二極管D3兩端的電壓迅速上升(D3兩端電壓＞1.4V)，黃色發(fā)光二極管D3導(dǎo)通點(diǎn)亮。

當(dāng)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置引線輸出端或電熱塞R0短路時(shí)（如：電熱塞R0碰極），監(jiān)測(cè)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置和電熱塞R0工作狀態(tài)的紅色發(fā)光二極管D4兩端因缺電而熄滅。此時(shí)按下AN開(kāi)關(guān)時(shí)，因PCB板上的ab跳線和C1的特殊作用，黃色發(fā)光二極管D3兩端的電壓迅速升高而被點(diǎn)亮，而此時(shí)紅色發(fā)光二極管D4兩端因缺電而熄滅。與此同時(shí)，電流取樣電阻R17兩端電壓達(dá)到或超過(guò)0.3V，進(jìn)而控制DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊中的相應(yīng)電路實(shí)施過(guò)流保護(hù)。

4.機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置主要功能

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的電路除具有開(kāi)關(guān)電源固有的耗電小、輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)外，還有著目前面市多種點(diǎn)火器不具備的許多特殊功能。

4.1 保護(hù)電路

①有供電電源極性識(shí)別電路。因而機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置不怕供電電源的正、負(fù)極性接反；

②輸出端不怕過(guò)載、不怕短路。當(dāng)輸出端故障解除后，電路將自動(dòng)恢復(fù)正常工作；

③當(dāng)電源輸入電壓低于閾值時(shí)，電路自動(dòng)鎖定，有效地保護(hù)了開(kāi)關(guān)電源和機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的安全。

4.2 在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置可以在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)電熱塞和裝置本身的性能，即：自動(dòng)鑒別出電熱塞性能是正常、是斷路、還是短路，同時(shí)也可以真實(shí)反映機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的工作狀態(tài)，不需要借助儀表進(jìn)行檢測(cè)。解決了航模發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，往往要反復(fù)檢查電熱塞、機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置或供電電源的性能，有時(shí)甚至還要將電熱塞從發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下來(lái)檢查其性能等問(wèn)題。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置上特別設(shè)計(jì)有2只顏色不同的超高亮度發(fā)光二極管，它可根據(jù)電源極性及負(fù)載正常與否，干脆利落地邏輯指示機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的運(yùn)行情況和電熱塞性能及工作狀態(tài)。

5.元器件選擇、制作與調(diào)試

5.1 元器件的選擇

選擇元器件時(shí)，考慮到機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置多在外場(chǎng)使用，因此元器件要適合于在夏季高溫和外場(chǎng)的惡劣環(huán)境中工作。元器件的選擇力求以工作穩(wěn)定、可靠為原則。盡可能篩選溫度適應(yīng)寬且耐高溫的元器件，功率元件安全系數(shù)選擇極限工作參數(shù)的3-4倍。為縮小機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的體積，在不影響電路電氣性能和使用的前提下，盡量選用尺寸較小的元器件?？紤]到外場(chǎng)高亮環(huán)境，機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置上的LED顯示元件選用超高亮發(fā)光二極管。

5.2 從原理機(jī)到作品各階段的制作過(guò)程

5.2.1 各階段的制作過(guò)程

在萬(wàn)能板上經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，分別通過(guò)原理機(jī)、驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)，大塑料外殼整機(jī)全重為151g。機(jī)載型在不改變電氣指標(biāo)和性能的基礎(chǔ)上，逐步通過(guò)改進(jìn)，使整機(jī)重量減輕70%以上，實(shí)現(xiàn)機(jī)載型全重＜35.0g的目標(biāo)。最大的難度是：每一步瘦身均必須以保證其電氣性能為前提，研制過(guò)程大體分為以下兩個(gè)階段。

第一階段：原理機(jī)先在尺寸較大的矩形萬(wàn)能板上，按照電路和元器件的電氣要求，并結(jié)合元器件幾何尺寸進(jìn)行手工布線。選用2只參數(shù)基本一致的YDS—305 DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，主要是驗(yàn)證機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置電路設(shè)計(jì)的可行性。

第二階段：項(xiàng)目研制的最終目標(biāo)。機(jī)載型點(diǎn)火裝置以工具型正樣為研究基礎(chǔ)，仿照臺(tái)式電腦擴(kuò)展板卡采用裸板方式，進(jìn)一步減輕重量、縮小體積，整機(jī)全重≤35g(正樣)。PCB板外觀及作品各研制階段的PCB元器件接線圖見(jiàn)附錄C。

5.2.2 減輕重量、縮小體積的具體措施

①在保證元器件電氣性能的前提下，盡量選用微小型元器件，為縮小體積元器件采取立體多層布局。

②在保證功率元件可靠散熱與結(jié)構(gòu)美觀的基礎(chǔ)上，使元器件的布局緊湊，最大限度地縮小機(jī)載型PCB板尺寸，選用厚度為0.8mm的單面環(huán)氧銅箔板。

③因?yàn)楣╇婋娫从袠O性識(shí)別插頭，為了提高空模機(jī)載電池電量的利用率，肖特基二極管D1可以省去不用。

④將重量為17g“工”字型電感調(diào)換為重量?jī)H有11g的具有相同電感量的環(huán)型電感，并且把環(huán)型電感嵌在電源模塊的下方。

⑤考慮到機(jī)載型點(diǎn)火裝置是間歇性工作，在保證電氣性能的基礎(chǔ)上，盡量減輕、縮小YDS—305開(kāi)關(guān)電源模塊散熱體自身的重量和體積。

⑥機(jī)載型點(diǎn)火裝置使用裸板方式，使整機(jī)重量進(jìn)一步減輕。

在各研制階段的實(shí)際操作中，PCB板根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行分析和調(diào)整，不斷優(yōu)化PCB板的布線。

5.3 測(cè)試

5.3.1 測(cè)試條件

①12V、7AH免維護(hù)蓄電池1塊

②零伏起調(diào)AC/DC開(kāi)關(guān)電源(0-30V/6.5A)

③數(shù)字萬(wàn)用表1塊（有10A電流檔位）

④深圳三葉公司產(chǎn)3#、4#和日本產(chǎn)OS牌8#二沖程電熱塞各2枚，四沖程電熱塞1枚

5.3.2 電路調(diào)試

在機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置通電、調(diào)試前，仔細(xì)核對(duì)焊接的元件、接線與電路原理圖是否相符，要特別注意檢查二極管、電解電容等有極性的元件，逐個(gè)檢查元件的焊接質(zhì)量，排除虛焊、假焊。待檢查全部無(wú)誤后，即可通電進(jìn)行調(diào)試。輸出電壓的調(diào)整：W與R2阻值之和確定最高輸出電壓值，R2的阻值確定最低輸出電壓值。

輸出電壓調(diào)整范圍的確定，需要通過(guò)多次分別調(diào)整W與R2數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.3.3 調(diào)試參數(shù)

①電源輸入電壓：5.0-30V

②空載輸出電壓：1.2-1.8V

③輸出電壓調(diào)整：1.2-1.6V(帶負(fù)載時(shí))

④整機(jī)輸入電流：0.48-1.15A

⑤整機(jī)輸出電流：0-4.2A

⑥待機(jī)電流：≤9mA

⑦輸出電壓調(diào)整：確定電位器的阻值和相應(yīng)電阻的阻值

6.技術(shù)指標(biāo)

⑴輸入電壓：7.4V(推薦使用7.4V聚合物鋰電池組)

⑵輸入電流：0.48-1.08A(注：供電電源電壓越高，其輸入電流越小)

⑶待機(jī)電流：≤8mA(不含顯示部分耗電)

⑷輸出電壓：1.2-1.6V(滿負(fù)載時(shí)輸出電壓范圍)

⑸輸出電流：0-4.1A

⑹轉(zhuǎn)換效率：≥84%/12V（注：機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的供電電源電壓越高，其轉(zhuǎn)換效率越高）

⑺BEC輸出端口(5.2～6.2V/3.0A)

⑻工作方式：慢速、連續(xù)點(diǎn)火

⑼25級(jí)以上航空模型電熱式二沖程、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)通用

⑽外緣尺寸：47mm×36mm×17mm

⑾整機(jī)重量：≤35.0g(不含線組)

7.使用說(shuō)明

⑴將機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置固定在空模機(jī)艙內(nèi)適當(dāng)位置，要求在確保機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置防油污染的基礎(chǔ)上距離發(fā)動(dòng)機(jī)越近越好；

⑵機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的插座、插頭線組與鋰電池組的小田宮插頭、電源開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火按鈕正確連接，線組多余的部分線纜最好減去，接線圖見(jiàn)附錄E；

⑶將機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置正極性輸出引線上的火嘴緊扣在航模發(fā)動(dòng)機(jī)的電熱塞上，輸出引線的另一端接發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(將線組中的焊片接在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)座的固定螺絲上)；

⑷根據(jù)電熱塞不同熱度或個(gè)人使用習(xí)慣調(diào)節(jié)機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的輸出電壓。建議將機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置輸出電壓的調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最大位置或置于中間位置；

⑸機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置上的紅色指示燈顯示裝置輸出電壓的工作狀態(tài)。當(dāng)按下AN開(kāi)關(guān)時(shí)，黃色和紅色發(fā)光二極管同時(shí)點(diǎn)亮表明電熱塞開(kāi)始工作，當(dāng)引線輸出端或電熱塞短路時(shí)，黃色指示燈點(diǎn)亮，紅色指示燈熄滅。

8.尚待研究的問(wèn)題

開(kāi)關(guān)電源模塊外圍電路中ab跳線與C1的特殊作用是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得，ab跳線與C1的使用大大簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源模塊的外圍電路，不僅效果好，而且作用大。目前，只知道其作用與ab跳線的長(zhǎng)度、粗細(xì)密切相關(guān)，與ab跳線的形狀等無(wú)關(guān)，其作用機(jī)理暫時(shí)還不清楚在理論方面應(yīng)該如何解釋。

9.結(jié)論

現(xiàn)在航模電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火啟動(dòng)普遍使用點(diǎn)火器，使用它存在著諸多不便。機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的項(xiàng)目研究，旨在從根本上解決油動(dòng)空模實(shí)踐中存在的眾多問(wèn)題。為使其真正成為航空模型的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，首先必須最大限度地減輕機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置本身的重量，縮小機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的幾何尺寸；其次是徹底解決了航模發(fā)動(dòng)機(jī)油路與電路之間的相互牽扯、相互交叉的頑癥；三是采取優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)和狀態(tài)顯示等智能化功能及相關(guān)電路的保護(hù)功能；四是提高供電電源的轉(zhuǎn)換效率，有效減少機(jī)載電池的電量消耗。

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置均具有點(diǎn)火有勁、可靠，且智能化程度高的特點(diǎn)。這一創(chuàng)新作品的研制成功，它實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)飛躍，一是徹底擺脫長(zhǎng)期使用傳統(tǒng)點(diǎn)火器問(wèn)題多多的困繞；二是將機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)后成為機(jī)載型。它不僅大幅度降低了航空模型初學(xué)者的入門門檻，而且也大大方便了航模高手們的使用，它的使用必將有力地推動(dòng)航空模型活動(dòng)的開(kāi)展與普及。

本款機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置的許多特點(diǎn)是早期功能相近產(chǎn)品不具備的。項(xiàng)目在分析了各個(gè)時(shí)期國(guó)內(nèi)、外各種航模發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置性能的優(yōu)缺點(diǎn)，按照油動(dòng)模型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)工作的特殊要求，經(jīng)過(guò)反反復(fù)復(fù)的試驗(yàn)、改進(jìn)與完善，終于將構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)。這款機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置可進(jìn)行慢速、連續(xù)點(diǎn)火，因而使油動(dòng)模型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火不再困難。使用它能使各級(jí)別電熱式發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中電熱塞始終處于最佳工作狀態(tài)，且不需人為干預(yù)，操縱者可以集中精力、從容地調(diào)整航模發(fā)動(dòng)機(jī)，不必再為電熱塞工作或點(diǎn)火裝置運(yùn)行正常與否而分心。

⑴由于該裝置具有自動(dòng)檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果指示和自動(dòng)保護(hù)等智能化功能，完全可以取代各類傳統(tǒng)的點(diǎn)火器；

⑵機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置既適合于二沖程航模發(fā)動(dòng)機(jī)，也要適合在點(diǎn)火電力相對(duì)要求較高的四沖程航模發(fā)動(dòng)機(jī)上使用；

⑶機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，可成為25級(jí)別以上油動(dòng)航模的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，項(xiàng)目預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。

機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置特別請(qǐng)國(guó)內(nèi)航模界非常有影響的河南安陽(yáng)高安模型公司和安徽蚌埠航空航海模型協(xié)會(huì)等單位進(jìn)行專業(yè)技術(shù)測(cè)試，上述的結(jié)論意見(jiàn)得到了充分的肯定。

附錄A 不同時(shí)期航模點(diǎn)火裝置技術(shù)指標(biāo)及部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

附錄B 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置元器件名稱及技術(shù)參數(shù)

附錄C 各階段的PCB板及元器件接線圖

附錄D 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置接線示意圖

附錄F 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置演示模板

附錄E 機(jī)載型智能點(diǎn)火裝置實(shí)物圖

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