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Contrails ! Régulateur de tension amateur pour Rotax

© Mike Miller

Le projet de Mike Miller

En 2018, Mike Miller a conçu un régulateur de tension en remplacement du Rotax/Ducati, avec des caractéristiques thermiques très supérieures.

Jim Butcher en a construit un et a partagé le projet avec la communauté Europa.

Mike et Jim ont aimablement autorisé Contrails ! à publier leur travail pour le bénéfice des constructeurs amateurs du monde entier.

 

Les instructions de Mike Miller

 

Mike : "Il y a quelques semaines, j'ai fabriqué un nouveau régulateur de tension pour remplacer le Ducati..."

Buts de conception

© Mike Miller

 

© Mike Miller
  • Modèle de remplacement "amateur" économique
  • Réparable
  • Tous composants disponibles dans le commerce (pas de profilé propriétaire, d'usinage numérique ou de pièces moulées).
  • Pas de pièces "non marquées" aux caractéristiques inconnues, tous les composants ont une data sheet.
  • Outillage amateur courant
  • Surface de dissipation accrue
  • Élimine les connecteurs Faston pour les fils de puissance.
  • Conserve l'écartement des vis de montage Ducati.
  • Ventilateur de refroidissement optionnel.

 


 

Mesures de température

Échauffement

Cette nouvelle version à près de 3 fois la surface d'échange, et fonctionne à plus basse température.

© Mike Miller

Montage d'essai

Le stator Rotax est ne peut matériellement délivrer plus de 22 A, sa fréquence peut atteindre 483 Hz.

Ce test n'est pas une évaluation en situation réelle de l'un ou l'autre régulateur, mais plutôt une comparaison sur le même montage.

Le "Montage de charge" est un transformateur variable de 1000VA/120 volt, 60 Hz, alimentant un transformateur 240V/12V de 500VA.

Cela nous permet de disposer d'une forte intensité sous très basse tension. La charge est un shunt de 0,028 ohm, connecté entre la borne +B et la masse du boîtier.

Le transformateur variable est utilisé pour faire varier le courant.

La chaleur générée est fonction de l'intensité dans le régulateur. Nous ne nous préoccupons pas de la tension de sortie lors de ce test.

Pour un débit de sortie de 22A dans le shunt, nous fournissions ~ 2 volts alternatifs à l'entrée.

 

Dissipateur

Doc GTH

 

Le dissipateur (ou radiateur) que j'ai choisi pour le nouveau régulateur est plus grand que le Ducati, mais il passe sur le rebord de la cloison pare-feu, et ne touche pas le support des palonniers.

Les pièces reviennent à environ 60$, sans compter le circuit imprimé.

Je n'ai pas de problème particulier concernant le Ducati, aussi je n'ai fait que le modifier légèrement.


 

Listes et fournisseurs

Tableaux et sites web :

Les pièces proviennent malheureusement de plus d'un fournisseur. Nous avons limité leur nombre à 4.

© Mike Miller

Les tableaux ci-dessus on subi plusieurs révisions. À ma connaissance ils sont exacts.

La barrette plastique n'est qu'une suggestion. Je l'ai découpée dans un tube d'emballage anti-statique de ¼” pour composants TO220.

Le fichier du circuit imprimé est la version modifiée Rev-1. Il y avait quelques erreurs mineures dans la carte Rev-0. Je n'ai pas re-commandé de carte Rev-1 pour vérifier.


Digikey a une fonction très pratique qui vous permet de télécharger un fichier Excel ou CSV directement dans votre panier, ce qui vous évite d'entrer manuellement les 23 articles.

Pour le boîtier, j'aurais préféré de la tôle de 0,8 mm (.032-inch), mais Spruce ne propose que du 2024-T3 en 0,4 mm (.016-inch) dans les dimensions 300×300 mm (12”x12”).

Autrement les prix augmentent exponentiellement. Nous n'avons besoin que d'une tôle de 150×150, cela vous donne donc la possibilité de faire 4 essais. Il vous est peut-être possible de faire mieux localement.

La prolongation de ½” à l'avant est destinée à soutenir le dessous de la carte électronique.

Elle doit être solide pour supporter la force verticale sur le CI lors du serrage des cosses.

 

© Mike Miller

Les vis de connexion du CI sont spécifiées pour 30A chacune. Le CI est conçu pour 22A dans le circuit de puissance.

Avec une épaisseur de cuivre standard de 1 oz nous générons trois à quatre watts sur les pistes de puissance à 22A. Une carte avec trois ou quatre onces de cuivre conviendrait mieux, mais n'est pas une option en prototypage.

Pour contourner le problème j'ai omis le solder mask sur les pistes de puissance élargies sur le dessous de la carte.

Nous pouvons accroitre la capacité avec un fil de cuivre rigide. Ce fil peut être disposé sur les trois pistes de puissances, depuis la patte du composant jusqu'aux bornes de connexion.


 

Fabrication mécanique

 

Dissipateur

Attention : protéger la surface usinée du dissipateur (radiateur).

1) Trois possibilités pour marquer la surface du dissipateur :

© Mike Miller
    • Tracer et mesurer, voici les dimensions :
            Dimensions dissipateur
    • Imprimer ce gabarit échelle 1:1 du dissipateur, le scotcher sur la surface et marquer au pointeau.
            Gabarit perçage dissipateur
    • Fixer le circuit imprimé sur la face du dissipateur, et transférer au pointeau à copier l'emplacement des 10 trous. Il vous faudra mesurer le trou de la vis de fixation du fil de masse.

2) Percer les deux trous de montage diam ¼”.

3) Percer et tarauder les trous pour vis 6-32.

4) Les ailettes doivent être fraisée pour permettre le passage des vis de montage AN4 et d'une douille de serrage.

© Mike Miller

 

    • Serrer une planche entre les deux flasques supérieurs du radiateur.
    • En utilisant les deux trous de montage de ¼” du côté usiné, percer à travers la planche.

    • © Mike Miller
    • Utiliser les trous de la planche pour guider le pilote d'une scie cloche de ¾”.
    • Découper jusqu'en bas des ailettes, mais ne pas entamer la base du dissipateur. Casser les quatre ailettes entamées.

    • © AliExpress

       

    • Adoucir les tronçons d'ailettes restants.
      On peut utiliser des limes, mais une fraise à lamer de ¾" avec un pilote de ¼” donnera une finition professionnelle pour moins de 30$.

5) Les deux flasques de montage peuvent être éliminés, ou conservés pour fixer un conduit de ventilateur.

© Mike Miller

 

À la fin vous devriez obtenir ceci :


 

Grosses entretoises alu

© Mike Miller
    • Le CI est positionné entre le dissipateur et le couvercle du boîtier à l'aide d'entretoises en aluminium.
    • La vis de montage AN4 et les grosses entretoises alu servent de conducteur électrique entre le dissipateur et la masse avion.
    • Limer un plat sur le côté des entretoises pour dégager le flanc du boîtier. Faire un rayon sur le plat à l'extrémité des entretoises longues de ½” pour épouser le pli de la tôle du couvercle.

 

Entretoises nylon

    • Fraiser sur une extrémité chacune des 4 entretoises nylon.
    • Enlever suffisamment de matière sans raccourcir l'entretoise.

 

Couvercle boîtier

 

© Mike Miller

1) Le tracé de la tôle peut se faire de deux manières :

    • Tracer et mesurer, voici les dimensions *
            Dimensions boîtier
    • Télécharger ce gabarit 1:1 (bords pliage)*
            Gabarit bords pliage
    • ou le gabarit boîtier (centre pliage)*
            Gabarit centre pliage
    • Les imprimer sur une étiquette à poser (ou sur un papier à fixer à l'adhésif en bombe) sur le plastique de protection de la tôle d'alu.
    • (* basé sur épaisseur 0,4-mm et rayon de pliage 0,8-mm

2) Pointer, percer, et découper aux cotes

3) À la plieuse à tôle, plier les quatres côtés.

© Mike Miller
    • Après pliage, ôter protection plastique et gabarit papier.
    • Embrever les quatre trou des vis 6-32.
    • Si vous n'avez pas d'outil à embrever pour vis #6, un outil à embrever #30 pourra convenir.
      La partie en relief de l'embrèvement doit être du côté du gabarit de pliage papier.

© Mike Miller

 

Votre pièce terminée devrait ressembler à ceci :


 

Assemblage du circuit imprimé

 

Composants

1) Cela fait sans doute un certain temps que vous avez assemblé votre dernier kit Heathkit®, aussi voici quelques rappels des bases :

    • Les diodes, les zeners et la plupart des condensateurs sont polarisés. Ne pas les installer à l'envers.
    • La bande sur le boîtier d'une diode, indique la cathode. Elle correspond à la barre au bout de la flèche du symbole d'une diode.
    • La borne négative d'un condensateur électrolytique aluminium est repérée par une série de signes "−" dans une bande large. Sur les condensateurs à sortie radiale (les deux sorties du même côté), la plus longue patte est la patte positive.
    • © Mike Miller
    • La sérigraphie sur le CI signale le côté positif d'un condensateur avec un signe + .
    • Le gros condensateur dans le circuit alternatif, n'est pas polarisé.
    • La carte électronique sera installée la tête en bas. Les queues de composants seront donc orientés vers le dessous (non sérigraphié) du circuit imprimé.
      (Le fichier de la carte comporte une couche de sérigraphie inférieure. Les seules indications sérigraphiées sont les quatre repères des bornes de connexion. Le coût supplémentaire était de 20$. J'ai utilisé un feutre)
    • Les dessins des composants de puissance ne figurent que pour référence. Ces composants seront connectés à la carte, mais se montent sur le dissipateur.
    • Ne pas installer les composants de puissance à ce stade, ils ont besoin d'être ajustés.
    • Utiliser un ohmmètre pour vérifier les valeurs si vous faites tomber ou mélangez les résistances.
© Mike Miller

2) Installer les composants sur le circuit imprimé.

    • La sérigraphie peut ne comporter que les noms des composants. Les valeurs figurent sur une couche distincte, et votre fabricant de CI pourra ou non l'inclure dans la sérigraphie.
    • Si les valeurs n'y figurent pas, ci-contre les indications sur les composants.

3) Souder les composants, avec un fer à souder adapté. Un bon éclairage et une loupe pourront de révéler utiles.

4) Avec une pince coupante à ras, couper les queues de composants au dessus de la soudure, à environ 1 à 1,5 mm au-dessus de la surface (ne pas entamer la soudure, couper la queue du composant)

5) Inspection.

    • Les composants sont-ils tous à leur place ? Sont-ils tous dans le bon sens ?
    • Vérifiez votre travail, ou faites le inspecter par une autre personne. Il sera plus facile de l'inspecter et le corriger maintenant, que de procéder à un dépannage plus tard.

 

Assemblage final

© Mike Miller

Pose des composants de puissance

 

1) Faire attention en pliant les pattes des composants :

     Cette page web est extraite de STMicroelectronics TN1225

2) Aligner chaque composant de puissance sur son contour sérigraphié sur le CI.

3) Faire une marque de pliage sur chaque patte de composant, en fonction la pastille où ira cette patte.

© Mike Miller

4) Une à la fois, maintenir la patte avec une pince à becs longs au niveau de la marque. Tenir compte du rayon de pliage.
Avec le doigt, replier la patte à 90° à l'opposé du côté dissipateur.

5) Répéter pour chaque composant.

6) Couper et ajuster la barrette plastique entre le CI et le dissipateur.
On pourra utiliser des trous de gros diamètre pour capturer les deux entretoises aluminium.

7) Installer temporairement les composants de puissance, la barrette plastique, les entretoises ¼”, et les entretoises alu #6. Vérifier et ajuster si nécessaire.

8) Démonter l'ensemble.

9) Installer un fil de masse AWG 18 de ∼9 cm entre le CI et le dissipateur.

10) Appliquer de la pâte thermique sur chaque thyristor et mettre en place les pastilles thermiques pour isoler électriquement les diodes du dissipateur.

© Jim Butcher

11) Installer les composants de puissance sur la face non-marquée du CI, mais ne pas les souder.

12) Poser le dissipateur par dessus les composants de puissance et le CI. Retourner l'ensemble avec précaution. Ne pas laisser les pattes des composants s'échapper de leur trou sur la carte.

13) Installer la barrette d'obturation et les quatre entretoises #6 en alu. Serrer temporairement les quatre vis fixant le CI au dissipateur à travers les entretoises.

14) Glisser les deux grosses entretoises de ¼” (∼6 mm) de long entre le dissipateur et la carte. Centrer l'entretoise avec une vis AN4.
Enfiler les deux grosses entretoises alu de ½” (∼13 mm) sur les vis, avec l'extrémité arrondie à l'opposé de la carte. Aligner le méplat latéral des entretoises avec le bord du dissipateur. Serrer temporairement avec un écrou.

15) Poser et serrer les quatre vis des composants de puissance avec leur rondelle de bloquage.

16) Nous ne voulons pas que ces entretoises métalliques s'échappent pendant l'assemblage ou les manipulations. Coller au silicone les six entretoises supérieures et les deux grosses entretoises inféfieures sur la carte électronique. Ne pas mettre de silicone au-dessous des grosses entretoises alu. Elles doivent faire contact électrique avec le CI.

© Mike Miller

17) Laisser polymériser le silicone.

18) Rabattre les pattes des composants de puissance à plat sur les pistes larges sans solder mask sur la carte.
Les former comme nécessaire pour suivre la forme de la piste. À ne faireque sur les pistes larges sans solder mask.

19) Souder les pattes des composants.

20) Recouper les pattes qui n'ont pas été rabattues.

21) Former trois morceaux de fil de cuivre rigide. Utiliser du fil AWG 18 ou plus gros. Poser les fils de la vis de connexion à la patte du compposant de puissance. Suivre la forme de la piste non masquée. Souder en place.

22) Laisser les vis du CI en place jusqu'au moment de l'assemblage final, pour protéger les pattes des composants.


 

Couvercle boîtier

 

Installation

1) Enlever les vis et les écrous qui maintiennent le CI en place

2) Insérer les quatre vis dans le boîtier

3) Enfiler les quatre entretoises nylon sur les vis, avec le fraisage côté embrêvements du couvercle.

4) Enfiler les quatre trous du CI sur les quatre vis du couvercle.

5) Le retourner et serrer les quatre vis du couvercle.


 

Schémas

 

Comment ça marche

Ce régulateur utilise un pont redresseur commandé.

Il s'agit simplement d'un pont redresseur à diodes, sauf qu'une moitié est constitué de thyristors, de telle sorte que l'on peut commander l'ouverture ou la fermeture du pont.

La tension gâchette nécessaire au déclenchement des thyristors provient de la borne "C". Cette entrée sert à la fois de contrôle et de mesure.

Il est plus facile de comprendre le fonctionnement du régulateur quand la borne C est alimentée indépendamment.

La tension de test appliquée peut prendre toute valeur envisageable dans des conditions normales ou anormales.

La borne C du régulateur est conçue pour tolérer une tension entre −14 volts et +24 volts.

Selon la tension sur la borne C, il y a 5 modes possibles pour le fonctionnement du régulateur.

 

© Mike Miller

1) Fonctionnement sous faible tension

 

~ 3.0 V - 12.4 V


 

© Mike Miller

 

2) Fonctionnement sous faible tension, approchant le seuil de déclenchement

 

12.4-14.0 volts


 

© Mike Miller

 

3) Condition satisfaite, approchant seuil de régulation.

 

~ 14.0V - 24.0 V (maximum absolu)


 

© Mike Miller

4) Sortie coupée quand le régulateur est satisfait et la tension s'annule sur la borne C.

 

L'entrée sur C était au-dessus de 12.4V and la tension s'annule.

Cela empêche le régulateur de se déclencher momentanément quand la tension retombe sous le seuil de régulation.


 

© Mike Miller

 

5) Tension inverse

 

~ −2V to −14V (tension inverse maximale absolue)


 

Vérifications et installation

 

Tests

1) Connectez le secondaire 16 volt d'une sonnette de porte sur les deux bornes G.

2) Utiliser une ampoule auto de 12 volt comme charge :

    • Connecter une borne de l'ampoule sur la borne +B et l'autre sur le dissipateur (masse).
    • Utiliser l'emplacement de la vis de montage AN4 où l'anodisation a été enlevée pour toutes les connexions de masse.
© Mike Miller

3) Avec une pile 9 volts, connecter le moins à la masse sur le dissipateur.

4) Quand le plus de la pile 9 volts touche la borne C, l'ampoule doit s'allumer.

5) Brancher une seconde pile 9 volts en série comme ci-contre pour constituer une source de 18 volts.

NOTE: Ce n'est pas la méthode de test idéale, mais c'est le moyen le plus facile si vous n'avez pas d'alimentation stabilisée continue réglable. Nous ne connaitrons pas la tension de déclenchement “OFF” exacte, mais cela nous confirmera que le régulateur se coupe bien.

6) Quand le (+) de la seconde pile touche la borne C, l'ampoule ne doit PAS s'allumer. Ne gardez pas le 18 volts sur la borne C plus longtemps que nécessaire pour le test.

 

Installation

© Jim Butcher
    • Les vis de connexion étant dans un circuit non protégé, nous avons inclus des protège-cosses souples (tétines) pour éviter tout contact accidentel.
    • Installer des rondelles éventail #10 sous les têtes de vis des connexions de puissance pour éviter leur desserrage aux vibrations.
    • Il est possible de brancher un fil de masse séparé de jauge AWG 12 entre une tête de vis de fixation AN4 et la masse batterie/avion pour assurer une mise à la masse optimale. La liste inclut les cosses à œil pour cette option.
    • L'emplacement du régulateur et le cheminement des fils pouvant varier, nous n'avons pas spécifié de longueur de fil dans la feuille Excel.
    • L'avionique standard est suffisante pour tester le régulateur de tension dans l'avion.
    • La tension du réseau de bord avec charge mini et régime modéré devrait maintenant indiquer 14 ± 0,3 volts une fois la batterie chargée.

 

Fonctionnement

Réalisation de Jim Butcher

Jim a construit un régulateur selon les indications ci-dessus, il en est très satisfait après 1 année et 100 heures de vol sur son Europa.

 

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