Realistické RC modely

Signalizácia zostávajúcej kapacity batérie z telemetrie FrSky

V duchu nášho pôvodného zámeru, maximálne využiť základnú telemetriu FrSky, prinášame návrh riešenia jednoduchého modulu, na akustickú signalizáciu stavu, kedy v pohonnej batérii zostáva už len prednastavené množstvo kapacity.

Tento modul je zapojený do AD-vstupu RC prijímača D8R v modeli, avšak na strane pilota netreba nič, pretože nastavenie prahových hodnôt aj akustickú signalizáciu zabezpečí modul FrSky Two Way Telemetry System v RC vysielači.

Článok bol napísaný 17.11.2010.

autor: Janko O.

Pravdu povediac, trochu sme mali a stále máme problém, ako krátko a pritom výstižne nazvať toto zariadenie. Názov „nábojomer“ trochu zaváňa militarizmom, „kapacitomer“ odvádza pozornosť ku kondenzátorom, „palivomer“ evokuje predstavu spaľovacieho motora a „energomer“ zas nie je úplne pravdivý, presný ani výstižný. Cez to všetko sme s bratom Miroslavom asi najčastejšie spomínali palivomer alebo energomer. Ak sa v ďalšom texte objaví niektorý z týchto výrazov, tak máme na mysli stále to isté zariadenie, ktoré slúži na to, aby v prípade, že v batérii vďaka odberu prúdu zostalo už len prednastavené množstvo energie, náboja, kapacity, skrátka „Ampérhodín“, tak sa ozve akustický varovný signál, ktorý pilotovi naznačí, že by bolo vhodné pristáť.

Podobne ako v prípade varia, aj modul na signalizáciu zostávajúcej kapacity batérie by bolo najlepšie realizovať s využitím mikrokontroléra, ale tým by sme mnohých prípadných záujemcov postavili pred neriešiteľný problém: „Čím si naprogramovať mikrokontrolér?“ Navyše sme celú problematiku „energomera“ chceli nechať otvorenú možným úpravám záujemcami o jeho stavbu, ale použitím mikrokontroléra by sme akékoľvek úpravy drvivej väčšine modelárov v podstate úplne znemožnili.

A tak sme sa rozhodli navrhnúť čo najjednoduchšie analógové zapojenie, ktorého obsluha by bola maximálne „užívateľsky priateľská“, pred zapnutím by nevyžadovala žiadne kalibrácie a pri stavbe by neboli potrebné žiadne zvláštne prístroje. Keďže sa tieto požiadavky navzájom často vylučujú, bolo treba nájsť určitý kompromis, akúsi krehkú rovnováhu možností a potrieb.

Princíp činnosti „palivomera“ spočíva v integrácii prúdovej spotreby v čase, pričom je ľahostajné, či integráciu robí mikrokontrolér digitálne alebo operačný zosilňovač analógovo. Z už spomínaných dôvodov sme sa rozhodli pre operačný zosilňovač, konkrétne dvojitý v jednom 8-vývodovom púzdre a ešte konkrétnejšie je to typ s MOSFETovými vstupmi. Integráciu zabezpečuje integračný rezistor Ri s integračným kondenzátorom Ci. Ten sa z praktických dôvodov skladá z paralelne zapojenej dvojice kondenzátorov menšej (polovičnej) kapacity Ci1 a Ci2.

Ako snímač prúdu sme použili spoľahlivý, osvedčený a nami obľúbený prúdový senzor firmy Allegro MicroSystems. Z dôvodu zachovania maximálnej jednoduchosti celého elektronického obvodu je nutné použiť typ so symetrickým výstupom, teda taký, ktorý má pri nulovom meranom prúde na svojom výstupe polovičné napájacie napätie, čiže 2,5 Voltu. Prúdový obvod sa musí zapojiť tak, aby meraný prúd spôsobil zvyšovanie výstupného napätia senzoru. Nesprávne zapojenie má za následok klesanie výstupného napätia a tým nefunkčnosť zariadenia.

My sme použili prúdový senzor ACS756-50 s rozsahom (+/-) 50 Ampérov, ktorého citlivosť je 40mV/A. To znamená, že pri nulovom prúde je na výstupe senzora napätie 2,50 Voltu a s každým nárastom odoberaného prúdu o 1 A stúpne o 40 miliVoltov, čo pri maximálnom prúde 50 A znamená výstupné napätie 4,50 Voltu. V závere spomenieme čo robiť, aby mohli byť použité prúdové senzory pre menšie, ale skôr väčšie rozsahy.

Z dôvodu jednoduchosti a rýchlosti prípravy k použitiu „energomera“ sme sa rozhodli, že na výstupe modulu, ktorý sa zapojí do AD-vstupu prijímača D8R, ihneď po zapnutí bude 2,5 Voltu, čo zodpovedá digitálnej hodnote AD prevodníka 193. S klesajúcou zostávajúcou kapacitou batérie bude toto napätie klesať. Aby bolo nastavenie akustickej signalizácie vysielačového modulu FrSky čo najjednoduchšie, bola časová konštanta integračného obvodu v súlade s citlivosťou prúdového senzora zvolená tak, aby pokles digitálnej hodnoty o jednotku (napr. zo 193 na 192) znamenal, že bolo z batérie spotrebované 0,1 Ah (náboja, kapacity, energie). Z toho samozrejme vyplýva, že maximálna zmerateľná hodnota z batérie odobraného náboja (kapacity, energie) je 193 x 0,1 = 19,3 Ah. Predpokladáme, že táto hodnota je dostatočne vysoká a pritom delenie je dostatočne jemné (0,1 Ah = 100 mAh) pre väčšinu modelov s elektropohonom. V závere bude uvedené, čo robiť, keby bolo potrebné jemnejšie delenie (menej ako 0,1 Ah) alebo menšia (alebo väčšia) sledovaná kapacita.

A tak sme navrhli jednoduché elektrické zapojenie s dvojitým operačným zosilňovačom a integračným rezistorom a integračným kondenzátorom. Po niekoľkodňovom „dolaďovaní“ na simulátore činnosti elektronických obvodov (Multisim) a nájdení toho najvhodnejšieho a pritom zohnateľného operačného zosilňovača sme prešli k praktickým skúškam.  

Nevyskytli sa žiadne väčšie problémy, až na jeden. V praxi by sa po „vylietaní“ prvej batérie nestačil vybiť integračný kondenzátor a zostávajúce napäte na ňom by spôsobovalo nepresnosť merania počas ďalšieho letu. Pre správnu činnosť je nevyhnutné, aby bol na začiatku merania kondenzátor úplne vybitý. Preto bolo zapojenie doplnené o nulovacie tlačidlo, ktorým je nutné integračný kondenzátor skratovať – vybiť vždy po pripojení merača k servisnému konektoru batérie.

Ale keďže je človek tvor zábudlivý, lepším riešením by bola nejaká „automatika“, ktorá by kondenzátor vybíjala sama. Rôzne elektronické polovodičové „skratovacie“ prvky sme vylúčili, pretože by ich prípadný zvyškový prúd alebo zvodový odpor mohol presnosť merania významne degradovať. A tak padla voľba na osvedčenú elektromechanickú súčiastku – na relé. Jeho vypínací kontakt skratuje vývody integračného kondenzátora vždy, keď je servisný konektor odpojený (počas výmeny batérie). Po pripojení servisného konektora ďalšej – nabitej batérie relé pritiahne, kontakty sa rozpoja a merač je okamžite pripravený k činnosti. Relé by malo byť samozrejme čo najmenšie, musí mať vypínací kontakt a jeho cievka by mala byť dimenzovaná na napätie pohonnej batérie. Pre 3-článok LiPol je to 12 Voltov.

Zmerali sme charakteristiku „palivomera“ so súčiastkami, ktoré sme kúpili v predajni a nijako sme ich nevyberali. Vypočítaná časová konštanta integračného obvodu je skutočne dosť veľká: asi 1081 s. So spomínanými kúpenými súčiastkami bola o niečo vyššia. Integračný rezistor Ri by teda mal mať hodnotu asi 1150 kiloOhmov (1M a 150k do série). Pri tejto hodnote súčiastok dôjde pri trvalom konštantnom odbere prúdu 50 Ampérov (napätie 4,50 Voltu na vstupe prvého operačného zosilňovača) k postupnému a rovnomernému poklesu výstupného napätia merača z východzej hodnoty 2,50 Voltu (digitálna hodnota 193) až na 0,0 Voltu (digitálna hodnota 0) za 1390 sekúnd. To zodpovedá vyčerpanej kapacite 19,3 Ah.

Ako nastaviť prahové úrovne základnej telemetrie FrSky? Ako sme už spomenuli, východzia hodnota výstupného napätia „energomera“ je 2,50 V, čo je digitálna hodnota 193. S každou vyčerpanou desatinou Ampérhodiny (0,1 Ah = 100 mAh), klesne digitálna hodnota o jednotku. Ak teda chceme napr. z batérie o kapacite 2,2 Ah po vyčerpaní 1,5 Ah (15 x 0,1 Ah) spustiť prvú úroveň alarmu, nastavíme prahovú hodnotu alarmu FrSky na 178 (193 – 15). Ak chceme,. Aby sa druhá – naliehavejšia úroveň alarmu spustila po vyčerpaní 1,8 Ah (18 x 0,1 Ah), nastavíme prahovú hodnotu na 175 (193 – 18).

Ako oživiť – nastaviť energomer? Na to stačí obyčajný multimeter. Výstupné napätie stabilizátora by malo byť 5,0 Voltu. Napätie na všetkých vstupoch aj výstupoch operačných zosilňovačov by malo byť polovičné, teda 2,5 Voltu. Ak pri (po) stlačení nulovacieho tlačidla výstupné napätie „palivomera“ nie je presne 2,50 Voltu, je možné to dosiahnuť zmenou hodnoty rezistora R1 alebo R2 (výberom z viacerých kusov).

Na nastavenie merača stačí multimeter a stopky. Na vstup prvého operačného zosilňovača namiesto napätia z prúdového senzora privedieme napätie 4,50 Voltu (napr. zo stabilizovaného zdroja alebo z odporového deliča napájaného z +5V). Stlačíme nulovacie tlačidlo a zmeriame výstupné napätie energomera, malo by byť 2,50 Voltu. Napätie by malo veľmi pomaly klesať – rýchlosťou 1,8 mV za sekundu. Na nulu by malo klesnúť za 1390 sekúnd. Ak je čas iný, treba primerane zmeniť hodnotu integračných kondenzátorov Ci1 a Ci2 alebo integračného rezistora Ri. Pri výraznejšej zmene hodnoty tejto súčiastky, je nutné zmeniť aj hodnotu rezistora R3, tak aby ich hodnoty boli takmer rovnaké (Ri = R3).

Ako zmeniť prúdový alebo kapacitný rozsah zapojenia? Pre väčšie modely s vyšším prúdovým odberom (do 100 A) je možné použiť prúdový senzor ACS756-100, ktorého citlivosť je 20 mV/A, teda voči ACS756-50 polovičná. Aby energomer pracoval stále rovnako, je treba časovú konštantu integračného obvodu znížiť na polovicu. To sa dosiahne veľmi jednoducho, namiesto dvoch integračných kondenzátorov osadíme len jeden, takže integračná kapacita bude 470 uF.

Ak by bolo potrebné zvýšiť „jemnosť“ merania odobranej kapacity, napr. 10-krát, je možné to dosiahnuť tak, že obidva integračné kondenzátory budú mať 10-krát menšiu kapacitu ako na schéme, čiže 47 uF. Potom nebude poklesu digitálnej hodnoty o jednotku (napr. zo 193 na 192) zodpovedať kapacita 0,1 Ah (100 mAh), ale len 0,01 Ah (10 mAh). Maximálna merateľná kapacita potom bude len 1,93 Ah. To je vyhovujúce pre batérie do kapacity 2,2 Ah (2200 mAh).

V prípade nejakých „exotických“ zmien rozsahov sme ochotní prípadnému záujemcovi hodnoty komponentov a parametrov merača vypočítať. Ale keďže to môže zaujímať len úzku skupinu modelárov, je vhodné to riešiť v komentároch k článku.

Pre väčšinu modelárskych potrieb je rozsah aj jemnosť delenia merania odobranej kapacity vyhovujúca. Spôsob nastavovania a práce s meračom boli podriadené maximálnej jednoduchosti zapojenia a jeho oživovaniu a prípadnému nastaveniu.

Podobne ako v prípade varia s tlakovými senzoromi, aj v prípade tohoto "palivomera" si nemyslíme, že sme najmúdrejší a že naše riešenie je dokonalé. Nenahneváme sa, ak niekto nami predkladané zapojenie upraví – zdokonalí, alebo navrhne úplne iné, lepšie riešenie.

Súvisiace články (related topics):

Signalizácia zostávajúcej kapacity batérie s FrSky – verzia 2

Vario z telemetrie FrSky – 3. časť

Vario z telemetrie FrSky – 2. časť

Vario z telemetrie FrSky – 1. časť 

„Umlčovač“ telemetrie.

Senzory k telemetrii FrSky – 2: Kontrola napätia článkov batéri

Senzory k telemetrii FrSky – 1. časť - Napäťový senzor

Zoznámenie s FrSky – 3. časť – Prenos dát

Zoznámenie s FrSky - 2. časť - Spôsob prenosu dát

Zoznámenie s FrSky - 1.časť - Základné funkcie

FrSky telemetry Signalling remaining capacity, charge, battery power Segnalazione capacità residua, carica, carica della batteria Signalering återstående kapacitet, laddning, batteri Señalización de la capacidad restante, carga, carga de la batería Сигнализация оставшейся емкости, заряда батареи Sinalização capacidade restante, a carga, a bateria Sygnalizacja naładowania, ładowanie, bateria Signal gjenværende kapasitet, lade, batteri Signalisierung verbleibende Kapazität, Ladung, Batterie Jelzés fennmaradó kapacitás, töltés, akkumulátor Signalering resterende capaciteit, lading, batterij la capacité de signalisation reste, la charge, la batterie Merkinanto jäljellä oleva kapasiteetti, lataa, akun Signalering resterende kapacitet, ladning, batteriet  energia consumata della batteria الإشارة القدرات المتبقية ، تهمة ، طاقة البطارية איתות Energi som förbrukas av batteriet Consume la energía de la batería Потребляемая энергия аккумулятора Consumida a energia da bateria Zużycie energii w baterii Verbrauchte Energie der Batterie Elfogyasztott energia az akkumulátor Verbruikte energie van de batterij Consommation d'énergie de la batterie Forbrugt energi af batteriet استهلاك الطاقة من البطارية צורכים אנרגיה של הסוללה קיבולת הנותרים, אחראי, סוללה

Komentáre: 4

Meno
Web
Mail
Kontrola	Zadajte číslo päť
Text
	Tučné | Podrazené | Kurzíva  | zdroják | odkaz