VARIATEUR BATEAU

Le VAR11-v3

Un variateur BATEAU diffère essentiellement du modèle AVION par le fait qu'il doit disposer d'une marche arrière, ce qui n'est pas vraiment utile pour un avion.
Par ailleurs, s'il doit généralement supporter des intensités plus raisonnables que son analogue volant, il doit le faire pendant des durées plus longues, ce qui pose aussi bien le problème de l'échauffement.

I. Caractéristiques du VAR11-v3

- Marche avant et arrière par pont de MOSFETS, sans relais.                             Vue du recto de VAR11-V3
- Intensité maximale : 75 A théoriques. Cette performance dépend du type des MOSFETs et de leur radiateur.
- Tension propulsion de 6V à 60 V, selon MOSFETs
- Résistance de passage minimale : 24 mW, ce qui sous une intensité de 10A provoque une chute de tension de 24/1000 x 10 soit 0.24 V,
  ou 1/4 V, chute que l'on peut qualifier de dérisoire.
- Découpage du courant à 2000 Hz donnant une grande souplesse de variation du régime.
- Gestion de la vitesse par micro-contrôleur type MC68HC11A1 de MOTOROLA.
  Cette technologie informatique présente de nombreux avantages :
      .  Réalisation pratique très simple : peu de composants.
      . Absence totale de mise au point
      . Pilotage quartz éliminant toute dispersion et toute dérive des paramètres de fonctionnement.
      . PROGRAMMATION par l'utilisateur des 5 points de fonctionnement dans la course. Voir plus loin.
     . Zone morte programmable autour du neutre.
     . FREIN moteur autour du neutre.
     . SECURITE à la mise sous tension : Le variateur ne devient actif que si le manche est d'abord mis sur le neutre, donc sur ARRET.
       Il ne peut pas y avoir de lancement intempestif.
- Liaison contrôle/puissance par opto-coupleurs séparant électriquement les 2 niveaux et réduisant fortement le risque de parasites.
- Dimensions : 70 x 35 x 25 mm
- Poids : 55 g
- Prix de revient modéré, modulable par le choix des MOSFETs.
                                                               




II. Analyse du schéma.
Voir Fig 2.

1. Section puissance.
Le moteur M est inséré dans un pont de 4 MOSFETs TM1/TM2 de canal P et TM3/TM4 de canal N.
En marche avant, TM2 et TM4 conduisent tandis que TM1/TM3 sont bloqués. En marche arrière, c'est le contraire.
Les MOSFETs TM1/TM2 sont continuellement passants ou bloqués, tandis que TM3/TM4 sont soumis à un
découpage de rapport cyclique variable permettant la variation de vitesse.     Voir Fig. 3.
                                                                                                                                                          
Les MOSFETs conduisent dès que la tension GATE atteint 6V. Ce sera donc la tension minimale de la batterie de
propulsion qui fournit cette tension. L'idéal est un dizaine de volts pour une conduction parfaite:
La batterie idéale aura donc 12 V. Il ne faut pas dépasser 18 V sur les optocoupleurs et les GATEs.
Si la batterie excède cette valeur, des diodes zeners de 15 V réduisent les niveaux à cette valeur.
Pour faire conduire TM1/TM2, il suffit de porter leurs GATEs à -BATT. C'est ce que font les opto-coupleurs OC1 et
OC2 quand une tension de 5V alimente leur diode Led interne à travers R16 ou R13
Les MOSFETs TM3/TM4 sont normalement conducteurs car les transistors T1/T2 sont passants à cause de R11/R9.
Pour les bloquer, il faut envoyer 5V sur les leds des opto-coupleurs OC4/OC3 par R8/R7.
Donc attention, si le 68HC11 n'est pas monté ou pas alimenté, TM1/TM2 sont bloqués mais TM3/TM4 conduisent
mettant les deux pôles du moteur à -BATT. Dès que le 68HC11 entre en action, au NEUTRE tout est inversé :
TM1/TM2 conduisent et réalisent le frein moteur tandis que TM3/TM4 sont bloqués.

Voir Fig. 4.
Cette figure détaille d'ailleurs le
fonctionnement du variateur,
en montrant en haut, les 5 points
programmables, avec les valeurs
affectées, au départ, par défaut.
Au centre, le NEUTRE ( NTR )
préfixé à 1500 µs et de part et
d'autre les points DDL et DDH
(1400 et 1600 µs) marquant le début
de la zone de rotation du moteur.
Le régime "découpage" va jusqu'aux
points MIN ( 1100 µs ) et MAX
( 1900 µs ) au-delà desquels le
découpage est remplacé par une
conduction permanente. Les points
RELAR et RELAV ne sont pas directement programmables, mais se
situent exactement au milieu des zones
DDL/NTR et NTR/DDH.
L'utilisateur pourra placer les 5 points OU IL LE VEUT, à condition de respecter leur ordre et en commençant
obligatoirement par MIN, avec une impulsion COURTE.
A la mise sous tension du variateur, le système est bloqué quelle que soit la position du manche et le moteur ne
tourne pas. Pour activer le variateur, il faut amener le manche dans la zone FREIN. A partir de là, le moteur peut tourner.
Une rupture de liaison supérieure à 1 s remet le variateur à l'état bloqué. Il faut rééditer le processus pour repartir.

2. Section contrôle.

Nous avons choisi un micro-contrôleur MC68HC11A1FN que nous connaissons bien pour l'avoir utilisé dans notre émetteur SUPERTEF.
  Ici le µC travaille en mono-chip donc sans aide extérieure. Le programme de gestion est écrit dans la mémoire EEPROM interne.
  On y mémorise également les points de fonctionnement.. Un quartz de 8 MHz cadence le travail du µC.
  Les ports d'entrée/sortie sont partiellement utilisés :
     . Le port A reçoit le signal du récepteur sur PA0/PA1. Il active les opto-coupleurs par PA3,PA4,PA5 et PA6. les lignes PA2 et PA7
       ne sont pas utilisées.
    . Le port C sert au dialogue avec l'utilisateur. On y branche un petit module externe à leds et poussoirs.
    . Le port D n'est retenu que pour les lignes PD0 et PD1 qui  permettent le fonctionnement en Bootstrap avec MODA=MODB= 0
  Les ports B et E ne sont pas utilisés.
                 
  Le 68HC11 est alimenté comme un "servo" par le récepteur qui lui fournit le 5V et le signal de la voie choisie.
  Impulsion POSITIVE de rigueur
  Notons que la grosse difficulté de la réalisation ... pour l'auteur, a été de faire tenir le logiciel dans les 512 octets de l'EEPROM.
  Il nous en a fallu 511 !! ... et quelques migraines !!


                       Vue du verso de VR11-V3

II. REALISATION

1. Liste des composants

a) ACTIF
2 ou 3 ou 4 MOSFETs canal P ( voir tableau 2 )
2 MOSFETs canal N ( voir tableau 1 )
2 diodes rapides type BYT08PI-200 en TO220
2 BC547B en TO92
2 1N4148
3 zeners CMS MMSZ15-T1 en SOD123
4 opto-coupleurs CMS HCPL-0701 en SO8
1 MC68HC11A1FN à programmer par l'auteur.

b) Résistances CMS 1206
  R1 10 MW      R11 3.3 kW
  R2 12 kW        R12 47 W
  R3 22 kW        R13 4.7 kW
  R4 68 kW        R14 100 W *
  R5 22 kW        R15 3.3 kW
  R6 22 kW        R16 4.7 kW
  R7 4.7 kW       R17 100 W *
  R8 4.7 kW       R18 3.3 kW
  R9 3.3 kW       R19 47 W *
  R10 47 W        * voir NB
c) Condensateurs
  C1   22 pF CMS 1206
  C2   22 pF CMS 1206
  C3   0.1 µF CMS 1206
  C4   0.47 µF pt 16V
  C5     1 µF pt 35V
  C6     1 µF pt 35V
  C7    470 nF LCC 63V
  C8    10 µF pt 16V


d) Divers

1 support PLCC 52 pts
1 circuit imprimé
1 quartz 8 MHz
1 barette femelle 2.54/6pts
chutes de laiton 10/10
Entretoises laiton 30/10
Boulons de 30/10
Fils et cordon connecteur

2. Le circuit imprimé.   Fichiers Postscript en téléchargement

C'est un simple face 16/10. A étamer après gravure puis à percer: 10/10 pour les TO220 et le strap 4, 8/10 pour le reste. Les trous de fixation à 20/10.
L'auteur peut fournir le film pour tirage UV
Le circuit imprimé terminé, LE VERIFIER très minutieusement à l'ohmmètre, tant au niveau de la continuité des pistes que des contacts intempestifs entre pistes voisines.
Ce travail vous évitera peut-être des émotions fortes lors de la mise en service !

3. Montage. Voir Fig 6 et 7

<-- Recto




  Verso -->

- Installer les straps 1 à 8, tous en fil fin, sauf le 4 qui doit être en 10/10.
- Souder tous les composants du recto, transistors, diodes, perles tantale, support PLCC ( dans le bon sens ! ), C7 et quartz. Certains composants étant associés à des CMS au verso, faire des
  soudures très légères pour ne pas compromettre la pose ultérieure de ces derniers. Aligner parfaitement les TO220 dans tous les sens.
- Le tout installé, poncer les soudures à la lime douce, brosser puis nettoyer à l'acétone jusqu'à avoir un verso très propre.
- Souder alors les CMS.   Voir "CONSEILS"

NB. Si votre batterie moteur fait moins de 15 V, souder R14, R17 et R19 selon les valeurs de la liste des composants et ne pas monter les zeners 15 V.
       Dans le cas contraire, souder celles-ci et remplacer les valeurs de la liste par des résistances recalculées pour un courant zener de 5 mA :
       Par ex. si Ubatt = 24V :  Rxx = ( 24 - 15 ) / 0.005 = 1800 W

- Les sorties moteur se font sur les drains des MOSFETs. Nous utilisons la métallisation qui y est connectée et non le picot central laissé libre. Les drains correspondant à la sortie M1 et ceux de la
  sortie M2 sont à relier par une pièce laiton 10/10 découpée selon la Fig. 8 Les départs vers le moteur se font avec des cosses faston de 6.3 mm. Bloquer énergiquement les pièces laiton sur les
  MOSFETs droits et gauches. A droite, intercaler des entretoises laiton entre TM2, TM2b, D3 et D4. Attention, pour D3 et D4, veiller à utiliser le type référencé dont la métallisation est isolée de
  l'anode et de la cathode. Sinon, gare au court-circuit. A gauche, une entretoise entre TM1 et TM1b, si vous montez ce dernier. Nous ne l'avons pas fait, estimant que la marche arrière peut souffrir
d'une résistance de passage un peu plus élevée sans préjudice pour le résultat final.
Pour une puissance modérée, les deux plaquettes laiton peuvent constituer un radiateur suffisant. Sinon, les doubler par des cornières de cuivre rouge selon la Fig. 9.
Si ce n'est pas encore suffisant, ne pas hésiter à refroidir les radiateurs par une circulation d'eau. Fig. 10.

4. Mise en service

Vérifier très soigneusement votre travail, A LA LOUPE de préférence !
Sûr de vous, connecter la batterie de propulsion DANS LE BON SENS, en intercalant un ampèremètre supportant de forts courants. Une ampoule de quelques watts remplace le moteur.
Sans µC, ou avec µC non alimenté, la lampe est éteinte et l'intensité est nulle.
Mettre le 68HC11 programmé sur son support et connecter au récepteur. Mettre sous tension récepteur et émetteur. La lampe est toujours éteinte.
Amener le manche au neutre ( 1500 µs ) puis pousser dans un sens ou dans l'autre : La lampe s'allume progressivement jusqu'à son maximum. C'est gagné ! Ca marche !
Remplacer la lampe par le moteur et tester de même.

NB. En marche avant, on doit avoir M2 = +BATT et M1 = -BATT,sinon inverser le sens d'action de l'émetteur. Le circuit imprimé est en effet dessiné pour favoriser la marche avant, en faisant
conduire TM2 et TM4. ( Le strap 4 sert en marche arrière )

Si ça ne marche pas, comme nous vérifierons systématiquement les 68HC11 lors de la programmation, il ne vous restera qu'à découvrir l'erreur que vous avez commise !

5. Programmation

Monter le module de programmation  décrit dans la page VAR11-V4
Connecter le module sur le variateur par l'intermédiaire d'un connecteur à picots males coudés à 90ø, vers l'extérieur, ce qui fait office de détrompeur.

Pour entrer en programmation :
a)  Couper l'alimentation du µC , appuyer sur le poussoir INT2 et en maintenant l'appui ....
b)  remettre le µC sous tension : La LED3 s'allume !
c)  Placer le manche de l'émetteur ( en marche !! ) sur le point MIN souhaité ( impulsion de valeur minimum )
d) Appuyer sur INT1. la LED1 s'allume. Un coup sur INT2
e) Placer le manche sur le point suivant et recommencer le processus d) ce qui allume LEDx . Programmer ainsi les 5 points et constater que LED1,LED2 et LED4 comptent les phases :
   Ainsi pour le 3ème point, LED2 et LED1 ( 2 + 1 = 3 )
f) Le dernier appui sur INT2 éteint toutes les diodes.
   Il faut couper l'alimentation du µC puis le remettre en marche pour utiliser les nouveaux points programmés.
NB. Si l'ordre des points, du minimum au maximum n'est pas respecté, les diodes s'éteignent prématurément et le processus avorte. Repartir en a) et procéder correctement !
La section puissance est inactive pendant la programmation.

          TABLEAU 1 : TM3/TM4 --> MOSFET Canal N                                               TABLEAU 2 : TM1/TM2 --> MOSFET Canal P

Référence

Vmax Imax RDSon Prix HT
MTP60N06HD
MTP75N06HD
MTP75N05HD*
BUK455-60A
BUK556-60A
BUK556-60H
IRFZ44
60
60
50
60
60
60
60
60
75
75
41
50
60
50
14 mW
10 mW
9 mW
38 mW
26 mW
22 mW
28mW
 
             

Référence

Vmax Imax RDSon Prix HT
MTP12P10
MTP50P03HDL* 
IRF9Z34



       

* Les meilleurs ! Utilisés dans notre proto au moment de sa réalisation. mais références à revoir au moment où vous lirez ces lignes !!

NB. Ces tableaux sont donc publiés à titre indicatif. Nous contacter pour tout renseignement supplémentaire.

Les intensités maximales admises par les MOSFETs sont théoriques. Il ne faut pas oublier ... le reste, à savoir la batterie, les conducteurs, les pistes imprimés et la dissipation thermique !
En montant 1 canal N de 9 mW et deux canal P de 30 mW pour la marche avant, la résistance de passage dans le variateur est de :9 mW +30mW/2 = 9 + 15 = 24 mW
Avec un seul canal P pour la marche arrière, on a 9 + 30 = 39 mW ce qui est tout à fait raisonnable et ... plus économique !