ОТ «КАНАТЫ» К «САЭ»

В«М-К» № 6, 7, 9 за 2017 год была опубликована серия материалов о самодельных аналоговых системах пропорционального радиоуправления. Модульный принцип их построения и совместимость друг с другом позволяют, как из кубиков, получать самые разные комбинации с различным набором функционала и массогабаритными характеристиками. А мой двухлетний практический опыт их эксплуатации свидетельствует о надежности и помехоустойчивости такой аппаратуры.

Однако, чтобы самодельное оборудование могло реально конкурировать с промышленным, любителям-энтузиастам еще есть где приложить голову и руки в стремлении к идеалу. Во-первых, если уж решено делать аппаратуру самостоятельно, то неплохо было бы снизить трудоемкость этого процесса. Во-вторых, желательно улучшить массогабаритные характеристики, точность, быстродействие и другие параметры. Постройка и эксплуатация уже представленных читателям журнала систем дала мне огромный опыт для их дальнейшего развития. Об этом я и расскажу в материале.

С самого начала этой работы подразумевалась возможность создания целого семейства унифицированных систем радиоуправления: одноканальной «Такамины», двухканальной «Канаты» и трехканальной «Саэ» (названы по именам героинь аниме «АКВ0048», умеющих управлять истребителями). С первыми двумя читатели уже знакомы. Разработка дополнительного модуля, превращающего бортовую аппаратуру в трехканальную, уже ведется. А вот передатчик к трехканальной системе «Саэ» уже готов. Его возможности даже в начальной конфигурации впечатляют. Он имеет полную совместимость и возможность управления всеми ранее опубликованными вариантами бортовой аппаратуры с использованием всех их возможностей. Более того, некоторые модели с установленной на них старой аппаратурой получают дополнительный функционал без каких-либо переделок на борту. При этом улучшатся точность и быстродействие системы. Также снижена трудоемкость изготовления шифратора, для него уже не нужно делать 4-транзисторные модули МВ. При этом сохранена значительная конструктивная преемственность и унификация с прежними модификациями, а печатная плата рассчитана на последующее преобразование в полноценную трехканальную версию.

Ну а теперь подробнее о конструкции. При первом же взгляде на схему заметно одно отличие. В прежних вариантах использовалась одна микросхема с четырьмя элементами — аналоговыми коммутаторами. Это снижало возможности системы одновременной передачей максимум двух пропорциональных каналов. В новом шифраторе установлены две такие микросхемы, что снимает это ограничение.

Но самое главное отличие состоит в алгоритме кодирования. Напомню принцип действия системы «Каната» (см. диаграмму работы системы, рис. «а»). Сначала передает перемежающиеся с частотой около 100-200 Гц два командных тона (№ 2 и № 3) канала А. Соотношение времени их передачи определяет положение рулей. Передача канала А ведется в течение примерно 35 мс, после чего в течение следующих 35 мс ведется передача тонов № 4 и № 5 канала В. В выборе этого времени есть противоречие. С одной стороны, хорошо бы его увеличить, чтобы прошло больше таких колебаний и управляющее напряжение установилось точнее. Ведь несинхронное с переключением частот переключение каналов, как показано в конце диаграммы 1а, приводит к некоторым колебаниям соотношения между двумя передающими его частотами. Но, с другой стороны, это ухудшит быстродействие. К тому же, каждому каналу необходимо запоминать управляющее напряжение на эти 35 мс, пока передается сигнал другого канала. А если система будет трехканальной, то ждать своей очереди каналу пришлось бы 70 мс!

С самого начала гораздо более интересным мне представлялся другой алгоритм. Передать только по одному включению каждого командного тона канала А. Потом столь же быстро передать сигнал на канал В и быстренько снова вернуться к каналу А (рис. «б» на диаграмме).

Передача дополнительной дискретной команды (ее тон № 1) ведется следующим образом. При выключенной команде чередуются только пропорциональные каналы А и В. При включении команды она входит в эту очередь, и таким образом последовательно чередуются каналы А, затем канал В, а затем дополнительная команда (рис. «в»). Сигналы каждого из каналов поступают на передачу реже, но управление ни одним каналом от этого не прекращается. При этом алгоритме время передачи каждой частоты удалось немного увеличить, что позволяет фильтрам в дешифраторе не спеша и качественно выделить свои частоты. Более редкие переключения уменьшили помехи. Но в то же время общая длительность полного цикла работы системы уменьшилась, что позволяет улучшить быстродействие системы.

Однако, как реализовать это схемотехнически? Непростая задачка — создать пакет из 4-5, а то и больше импульсов, длительность каждого из которых регулировалась бы индивидуально. Простейшее, само собой разумеющееся решение — многофазный мультивибратор — я отверг сразу, так как он не всегда стабилен в работе. Стал уже было посматривать в сторону микроконтроллера, вроде «Ардуино», но с его освоением ничего не вышло. Да и к лучшему, так как было найдено отличное схемное решение.

Итак, счетчик D1 сбрасывается в начальное положение. На выходе «0» появляется лог. 1, которая заряжает С1. Через диод VD1 зарядный ток поступает на базу VT1, открывает его и создает на входе счетчика лог. 0. Понятно, что время протекания зарядного тока зависит от положения R6. Как только зарядный ток иссякнет, транзистор закроется, на его коллекторе возникнет лог. 1 и этот перепад переключит счетчик в следующее положение. Теперь уже время открытия транзистора будет определять конденсатор С2 и другая половина R6. Когда счетчик переключится в следующее положение, в работу вступит R9, управляющий рулями в канале В. Однако каждый из выходов счетчика соединен еще и с соответствующим управляющим входом мультиплексоров. А они, в свою очередь, соединяют с выходом шифратора генератор того или иного командного тона. Таким образом, положение ручек переменных резисторов определяет время передачи каждого командного тона и, следовательно, положение рулей модели.

Поскольку при включении питания счетчик может установиться в любое случайное положение, его неиспользуемые выходы суммируются диодами VD6-VD10 и подаются на вход сброса.

Принцип действия дополнительной дискретной команды аналогичен. Управление идет с помощью кнопки с контактами на размыкание SB1. Когда они замкнуты, длительность передачи тона № 1 определяемая R11 очень мала — только чтобы перебросить счетчик в следующее положение. Модуль дополнительного дешифратора на борту модели не успевает включиться. При нажатии кнопки ее контакты размыкаются, и сопротивление цепочки увеличивается. Длительность передачи команды примерно такая же, как время передачи основных каналов. Устройство включается.

Казалось бы, чего еще желать. Однако заменим R12 и кнопку на переменный резистор в 47-100 кОм, и мы сможем регулировать время передачи дополнительной команды, а следовательно, и мощность, подводимую к исполнительному механизму. Таким образом, установленная на модели аппаратура «Каната-Д», без каких либо ее переделок, превращается фактически в трехканальную пропорциональную! Разве что только дополнительный канал, в отличие от основных, так сказать, «однонаправленный».

В остальном конструкция шифратора прежняя. Модули ГС те же, что использовались в предыдущих версиях. Генераторы синусоидальных колебаний выбраны затем, чтобы уменьшить уровень гармоник, способных создать помехи более высокочастотным каналам. Кроме того, частота таких генераторов меньше зависит от напряжения питания, чем у мультивибраторов. Модули точно настраиваются по частотомеру, проще всего это сделать до установки на основную плату шифратора. Чтобы читателям не собирать данные на модули в старых публикациях, приведем их полностью.

Шифратор собран на импортной элементной базе, но если у кого-то еще сохранились запасы советских деталей, то его можно собрать на них полностью, без какого-либо снижения характеристик. Диоды могут быть типов КД503, КД521, КД522 с любым буквенным индексом. В модулях ГС подойдут транзисторы КТ3102 с индексами Г и Е, а в качестве VT1 — любые из этой серии. VT2 заменим на любые транзисторы из серий КТ315, КТ312. Счетчик — типа К176ИЕ8, коммутаторы — К176КТ1, микросхема стабилизатора — КР142ЕН5А.

Конструкция пульта и сменных передающих модулей также аналогична ранее описанной.

На основной печатной плате вы видите немало неиспользованных отверстий, дорожек и перемычек. Они будут использованы при переходе шифратора «Саэ» к конфигурации «тип 2», что превратит его уже в полноценную трехканальную систему. Для удобства монтажа набивать плату модулями ГС лучше уже после установки всех остальных деталей и перемычек. Обратите внимание на изменение в подключении передающего модуля — здесь применен не 3-, а 4-контактный разъем. Это улучшает надежность контактирования, а кроме того, при ошибочном соединении разъемов с поворотом на 180 градусов не происходит переполюсовки питания — питающее напряжение просто не пройдет через входной конденсатор в передающем модуле. Но главное — это то, что контакты сигнала и питания находятся между двумя контактами общего провода, что улучшает их экранировку от внешних наводок. Например, в случае создания значительно более мощных радиопередающих модулей. Убедительно рекомендую всем перейти на этот новый стандарт.

Если у вас использованы трехжильные кабели — их можно не переделывать. Просто соедините между собой крайние контакты новых разъемов. Способ крепления передающего модуля к пульту — на задней стенке с помощью двух винтов М3 на расстоянии 90 мм друг от друга, остался прежний.

Достоинства данного шифратора таковы, что шифраторы типа «Каната» и «Каната-Д» можно уже признать устаревшими и «снять с производства».

Перейдем к приемной части системы. Как было сказано выше, новый передатчик предназначен для работы с уже знакомой читателям приемной аппаратурой, описанной в публикациях 2017 года. Однако модульное конструирование аппаратуры — это не просто разбиение сложной схемы на несколько отдельных плат. Оно подразумевает использование двух возможностей, даваемых этим принципом.

Первое — это использование конструктивно сходных, а то и вовсе одинаковых кубиков-модулей в различной аппаратуре. С этим, как читатели, наверное, заметили, здесь все хорошо.

Второе — упрощение модернизации аппаратуры, когда можно не переделывать все полностью, а по лишь частям менять отдельные модули на доработанные и улучшенные, но совместимые со старыми. Пришло время воспользоваться такой возможностью. Ведь SMD-компоненты позволяют значительно не только улучшить массогабаритные характеристики аппаратуры, но и снижают трудоемкость ее изготовления, так как не надо сверлить множество маленьких отверстий, ломая порой дорогие тонкие сверла.

Вот, например, модуль дешифратора дополнительной дискретной команды ДД-1М. В основном его схема осталась прежней, кроме одного изменения. Старый модуль брал напряжение искусственной средней точки с основного регулируемого дешифратора. В предлагаемой же схеме оно создается внутри модуля делителем R10, R11, С8, С9. Так что с основным дешифратором он теперь соединяется только с выходом регулируемого предварительного усилителя (с коллектором VT1). Это упрощает монтаж, и делает дешифратор более независимым, способным работать с любой другой аппаратурой.

О деталях модуля. Резисторы R1 — R3 оставлены традиционной конструкции с проволочными выводами. Они удобнее для перепаек при подгонке частоты фильтра. Остальные резисторы и конденсаторы — типоразмера 1206, кроме R9 и С5. Эти детали монтируются между пайками выводов транзисторов, так что здесь применены детали еще более миниатюрного типоразмера 0805. Несмотря на дополнительные элементы, модуль «похудел» и по габаритам, и по весу.

Ну, а раз это сделано, то почему бы не переработать аналогичным образом и близкие по схемотехнике модули УРМ? Предлагаю читателям усовершенствованный, уже 4-й вариант такого модуля. Схема его также незначительно усовершенствована.

Идея первого изменения состоит в следующем. Характеристики цепей формирования управляющего напряжения по входному сигналу нелинейны. Понятно, например, что в широком диапазоне токов коллектора падение напряжения на кремниевых транзисторах VT1, VT2 не может быть ниже 0,6 V. Чтобы сделать характеристики цепи формирования управляющего напряжения по механической обратной связи похожими, введены кремниевые диоды VD5, VD6. Благодаря этому угол отклонения рулевых машинок будет меньше зависеть от снижения напряжения питания. Кроме того, достаточный угол отклонения зачастую может быть получен и без использования дополнительных резисторов R11, R12.

Вторая доработка состоит в увеличении сопротивления R5, R6. Опасаться того, что модуль станет менее мощным не стоит — VT3, VT4 заменены на транзисторы с индексом С, имеющими больший коэффициент усиления. Входные транзисторы лучше оставить с умеренным коэффициентом усиления. Смысл затеи состоит в том, что управляющее напряжение формируется так же быстро, как раньше, а вот «запоминается» оно на более долгое время, благодаря более медленной разрядке С5, С6. Таким образом, снижаются пульсации управляющего напряжения в каждом канале многоканальных систем во время пауз, когда передается сигнал другого канала. Это открывает путь к созданию аппаратуры с тремя пропорциональными каналами. К тому же, усилитель с повышенным входным сопротивлением правильнее воспринимает сигнал механической отрицательной обратной связи от рулевой машинки. Ведь сопротивление устанавливаемых там потенциометров, как правило, около 5 кОм. Кстати, данные переделки вы можете произвести и на платах модулей УРМ старой модификации.

Детали системы аналогичны: все резисторы и конденсаторы С7, С8 — типоразмера 1206. Конденсаторы С3, С4, резисторы R8, R10 — типоразмера 0805 (они аналогичны примененным в модуле ДД-2). Остальные конденсаторы и все транзисторы — традиционной конструкции. И, опять-таки, несмотря на дополнительные детали, модуль стал легче и компактнее.

Настройка модуля в случае использования его для управления рулями с помощью рулевой машинки: берется дополнительный переменный резистор сопротивлением 5-10 кОм, крайними выводами подключается к крайним выводам переменного резистора обратной связи в рулевой машинке. Вывод движка подключается к коллектору любого из двух входных транзисторов. Подключаем питание модуля, не забывая и среднюю точку питания. При вращении ручки переменного резистора рулевая машинка должна повторять эти движения. Если же при включении она сама «уезжает» в крайнее положение или в каком-то положении начинает дергаться туда-сюда — меняйте местами крайние выводы потенциометра рулевой машинки. При использовании модуля для управления не рулевыми машинками, а ходовыми двигателями модели налаживание не требуется.

Облегченные модули больше всего заинтересуют тех моделистов, наверное, которым нужна аппаратура пусть с небольшим числом команд, но предельно легкая и компактная. На рисунке показан чертеж платы переработанного дешифратора от одноканальной «Такамины». Принципиальная схема осталась прежней, только заменены две пары деталей. Емкость конденсаторов С5, С6 уменьшена до 22 мкф. Этого достаточно, зато конденсаторы такой емкости в SMD-исполнении выпускаются не только электролитические, но и керамические. Благодаря этому модуль получился не содержащим «электролитов», а, значит, более долговечным и стабильным. Вторая доработка — малодоступные ныне германиевые диоды в системе АРУ заменены на кремниевые 1N4148 в SMD-исполнении. Германиевые диоды применялись в начальный период освоения системы, когда я еще не знал, какое выходное напряжение предусилителя окажется необходимым для надежной работы фильтров. Использование чувствительных германиевых диодов позволяло, в случае необходимости, стабилизировать выход на довольно низком уровне. Практика же показала, что настройки разных экземпляров системы не слишком различаются друг от друга, а необходимости в очень низких уровнях сигнала нет. Кремниевые диоды сейчас куда доступнее, да и характеристика у них круче, что способствует более жесткой стабилизации уровня сигнала. Для справки: в моих, «авторских», экземплярах наилучшие настройки системы АРУ обычно получались при сопротивлении R7 около 150-220 кОм.

И о недостатках. Основным, пожалуй, считаю трудоемкость настройки дешифраторов. Хотя, если подойти к ней вдумчиво, то она не потребует много усилий. Смотрите сами: каждый фильтр содержит три резистора, влияющих на его резонансную частоту. Резисторы соседних номиналов отличаются друг от друга на 10 процентов. Стало быть, поменяв все три резистора на соседние номиналы, мы изменим частоту настройки на те же 10 процентов. А если заменить только один резистор, то примерно на 3 процента. Так что остается только точно измерить частоту настройки фильтра с первоначально установленными резисторами, и вы сможете добиться успеха после первой же перепайки.

(Окончание в следующем номере)

Александр ЛИСОВ