Serge77 - Моя ракетная мастерская - Светодиодный датчик апогея RocketLED

Здесь описана последняя версия схемы светодиодного датчика апогея, которую я сейчас использую. Даны рекомендации по подбору элементов, сборке, тестированию и использованию датчика. Разработка и испытания датчика описаны здесь и здесь.

Схему и разводку печатной платы в формате Eagle можно взять здесь. Рисунок печатной платы в формате PDF здесь, он в зеркальном отражении и готов к распечатке на бумаге и переносу по методу лазерного утюга.

Светодиоды (D1, D2).
Подходят светодиоды, излучающие синий, фиолетовый или ультрафиолетовый свет. Я предпочитаю использовать синие светодиоды, потому что они генерируют фототок в 3-5 раз больший, чем ультрафиолетовые, а значит датчик получается более чувствительным.

Корпус светодиода должен быть прозрачным, бесцветным, с круглым верхом. Размер может быть практически любым, я испытывал светодиоды диаметром от 2 до 12 мм, все работали. Светодиоды в SMD корпусе также прекрасно работают.

Два светодиода в схеме должны иметь одинаковые или как можно более близкие параметры, поэтому их нужно брать из одной партии и тестировать перед использованием. Для тестирования светодиод подключают к вольтметру и, направляя на небо (но не прямо на Солнце), находят позицию, в которой показания вольтметра максимальные. При этом нельзя касаться выводов светодиода руками, подключать нужно с помощью крокодилов, как на фото ниже. Если разница измеренного напряжения на двух светодиодах небольшая, в пределах 10-20%, они могут работать в паре.

Компаратор или операционный усилитель (IC1).

Основным требованием к компаратору или операционному усилителю является очень низкий входной ток (input bias current). При использовании синих светодиодов он не должен превышать примерно 400 пикоампер, а для ультрафиолетовых - 100 пикоампер. В таблице приведены подходящие микросхемы, часть из них я испытал, они помечены плюсом.

Название	Входной ток, пикоампер	Питание, В	Цена, $	Документация	Проверка
компараторы
LMC6772	0.02	2.7-15	2.2	LMC6772.pdf
TLC3702	5-600	3-16	0.27	TLC3702.pdf	+
TLC372	5-600	2-18	0.52	TLC372IDG4.pdf	+
TS3702	1-600	2.7-16	0.47	TS3702.pdf	+
TS372	1-200	3-16	0.38	TS372.pdf	+
TS393	1-600	2.7-16	0.55	TS393.pdf
TS861	1-600	2.7-10	1.25	TS861.pdf
операционные усилители
AD8531, AD8532	5-60	2.7-6	0.79	AD8531_8532_8534.pdf	+
AD8541, AD8542	4-100	2.7-5.5	0.69	AD8541_8542_8544.pdf	+
AD8638	1.5-105	5-16	1.8	AD8638.pdf
AD8663	0.3-45	5-16	2.6	AD8663_8667_8669.pdf
CA3130	5-50	5-16	1.1	ca3130.pdf	+
CA3140	10-50	4-36	0.27	CA3140.pdf	+
LMC6484	0.02-4	3-15	2.4	LMC6484.pdf
LMC660	0.002-4	5-15	1.4	LMC660.pdf
LMC7101	1-64	2.7-15	0.5	lmc7101.pdf	+
TLV2370, TLV2371	1-100	2.7-16	1.1	tlv2375.pdf	+

Микросхемы TS861, AD8531, AD8541, AD8638, AD8663, CA3130, CA3140 и TLV2371 имеют одинаковое расположение выводов, они могут быть использованы для печатной платы, приведённой выше. Для других микросхем пачатная плата должна быть изменена.

Подходит любой тиристор, который выдержит ток срабатывания воспламенителя. В таблице приведены доступные дешёвые варианты.

Название	Максимальный ток, А	Корпус	Цена, $	Документация
BT149	0.5	TO-92	0.08	BT149.pdf
BT150	4	TO-220	0.30	BT150_SERIES_1.pdf
BT151	7.5	TO-220, DPAK, I-PAK	0.37	BT151.pdf
BT152	13	TO-220	0.69	BT152.pdf
C106	4	TO-225, TO-126	0.20	C106_D.pdf
MCR100	0.8	TO-92	0.12	MCR100-3-4-6-8.pdf
MCR25	25	TO-220	0.53	MCR25N.pdf
MCR8	8	369C	0.26	MCR8DS.pdf
TS820	8	TS8-B, TO-220	0.80	TS820.pdf

На фото - корпуса тиристоров, слева направо: TO-220, TO-225 (он же TO-126), I-PAK, DPAK, TO-92.

Разводка печатной платы сделана под тиристор в корпусе ТО-220, как самый распространённый. Эту же разводку можно использовать для корпусов TO-225 и I-PAK, у них такое же расположение выводов. Можно припаять и ТО-92, но нужно поменять местами средний и правый (по фото) выводы. Для DPAK нужна другая разводка.

В качестве силового ключа можно использовать и полевые транзисторы (для этого нужно немного изменить схему), но в данном случае я предпочитаю использовать тиристоры по следующим причинам. Во-первых, в момент срабатывания датчика через воспламенитель обычно течёт большой ток, что может привести к сильному проседанию напряжения батареи и нарушению работы компаратора. При этом полевой транзистор закроется и воспламенитель не сработает. Тиристор в этих условиях останется открытым и воспламенитель сработает. Во-вторых, если ракета начнёт кувыркаться в полёте, например из-за отрыва стабилизатора, то полевой транзистор будет попеременно открываться и закрываться, из-за этого воспламенитель может не сработать, если он достаточно инерционный. Тиристор в таком случае откроется и будет оставаться открытым.

Воспламенитель подключен по методу, который предложил saper1979. При срабатывании датчика воспламенитель перегорает и отключает питание схемы, чтобы не расходовать зря батарейку. Это накладывает ограничение на воспламенители - они должны перегорать при срабатывании, например как воспламенители на тонком (0.1мм и меньше) нихроме или воспламенители из лампочек. Если воспламенитель не перегорает, то необходимо предусмотреть разъём, размыкающийся при разделении ракеты вышибным зарядом.

Батарея выбирается в зависимости от требований воспламенителя и пределов питания операционного усилителя или компаратора. Для большинства подходит Крона на 9 В, обязательно щелочного типа, например Duracell Alkaline. Для AD8531 и AD8541 можно использовать литиевую батарею на 3 В или три элемента по 1.5 В.

Между батареей питания и остальной схемой нужно установить выключатель, на схеме он не показан.

Расположение деталей на печатной плате показано на фото.

Тиристор перед пайкой нужно обернуть скотчем, чтобы изолировать заднюю металлическую поверхность от дорожек на плате, а также укоротить и загнуть выводы, как на фото. Сверлить плату для выводов тиристора не нужно,он припаивается просто сверху.

У светодиодов положительный вывод длиннее отрицательного, на фото видна их полярность, какая она должна быть при пайке. Светодиод, который в ракете должен смотреть вверх, на фото смотрит влево, а тот, что вниз - вправо. Сигнальный светодиод на фото смотрит вверх. Светодиоды можно припаять прямо к плате, а можно вынести их с платы на проводах, это зависит от способа установки датчика в ракете.

Особенностью схемы являются очень маленькие токи, протекающие между светодиодами и компаратором, поэтому даже небольшие следы грязи, неотмытого флюса, отпечатков пальцев и т.д. могут нарушить работу датчика. Поэтому после пайки нужно очень тщательно вымыть плату от флюса и грязи, а затем покрыть её хорошим слоем лака, хотя бы канифольного.

Сигнальный светодиод D3 должен быть яркий, желательно красный, чтобы его было хорошо видно в поле на солнце.

Датчик чувствителен к синему и ультрафиолетовому свету, поэтому он не работает в комнате при освещении лампой накаливания и плохо работает при освещении лампой дневного света. Тестировать нужно на улице или в квартире возле окна, направляя светодиоды на улицу. При тестировании нельзя касаться руками дорожек схемы и выводов светодиодов.

Светодиоды можно установить снаружи ракеты (левый рисунок) или внутри ракеты (правый рисунок).

Установка снаружи проще, она не требует окон в корпусе ракеты. Но при таком расположении в поле зрения нижнего сенсора попадает выхлоп двигателя, и если выхлоп очень яркий, это может привести к срабатыванию датчика при запуске двигателя. Наружная поверхность корпуса ракеты возде светодиодов должна быть окрашена в одинаковый цвет, желательно чёрный, и не иметь блестящих деталей.

При установке датчика внутри ракеты выхлоп двигателя не влияет на работу датчика. Кроме того, расположение внутри корпуса ракеты удобнее, чем снаружи. Если светодиоды прикрыты прозрачной плёнкой или пластиком, а светодиоды ультрафиолетовые, то нужно очень тщательно тестировать датчик, потому что некоторые плёнки, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают ультрафиолет и работа датчика может быть нарушена, например при слабом освещении вечером.

Перед стартом ракеты, когда датчик уже включён, нужно быть осторожным, чтобы случайно не заслонить верхний светодиод рукой. Желательно включать датчик в последний момент, когда ракета полностью готова к старту. При включении должен загореться сигнальный светодиод, это означает, что на схему действительно подано питание и воспламенитель установлен и работоспособен.