Centralina di lancio ACME

Dopo alcuni anni e molti lanci, nel nostro gruppo è nata l’esigenza di avere una nuova centralina di lancio più evoluta di quella usata fin’ora e che fosse in grado di fornire tutta l’energia necessaria ad un maggiore numero di rampe poste alle distanze previste dal codice.

Abbiamo quindi deciso che la nuova centralina dovesse avere queste caratteristiche:

• Batterie potenti poste molto vicino ad ogni rampa.
• Possibilità di comandare rampe poste a 60 metri di distanza (distanza prevista dal Codice per il lancio di motori K) ed eventualmente oltre.
• Possibilità di gestire più di quattro rampe.
• Controllo della continuità e della resistenza dell’accenditore sia alla rampa che alla postazione LCO (Launch Control Officer).
• Semplice da montare e di aiuto per il posizionamento delle rampe.
• Pannello di controllo stabile, chiaro e semplice da usare.
• Possibilità di comandare più rampe contemporaneamente.
• Robusta ed affidabile, con componentistica di ottima qualità.

Abbiamo scelto il progetto pubblicato da Vern Knowles (Tripoli Idaho) sul suo sito (www.vernk.com) che soddisfa tutte le nostre esigenze, e lo abbiamo leggermente modificato per adattarlo alla nostra situazione. Il progetto originale può comandare 32 rampe che per noi sono decisamente troppe. Anche 16 rampe sono molte di più di quanto utilizziamo di solito ma diminuendo il numero di rampe non si sarebbe semplificato il progetto in modo sostanziale e non sarebbe stato molto più economico.
Ringraziamo Vern che ha risposto con infinita pazienza alle nostre richieste di chiarimenti e ci ha dato un aiuto prezioso per la taratura e il controllo dei circuiti. Un grosso ringraziamento va anche ad Armando Bianco che ha realizzato la parte meccanica (fori, connettori, etc.) in un tempo record, e a Claudio Leidi che ha realizzato gli stampati per la parte elettronica, che si sono rivelati indispensabili per un montaggio robusto, ben fatto e senza errori.

Il materiale è stato acquistato quasi interamente presso due grossi rivenditori online, RS Components e Distrelec, che hanno entrambi un grandissimo assortimento ed un servizio eccellente e molto rapido. Gli strumentini sono stati acquistati da Esco, anche in questo caso un servizio rapido ed efficiente, e componenti minori sono stati presi in alcuni negozi locali.

La realizzazione di questo progetto è alla portata di chiunque abbia conoscenze base di elettrotecnica e di elettronica, e sia capace di saldare cavi e componenti. Il progetto ha richiesto circa due mesi e mezzo di lavoro (2-3 ore al giorno) dalla scelta e ordine dei componenti al completamento.

Quelle che seguono sono le descrizioni pubblicate da Vern Knowles sul suo sito, tradotte ed adattate per rispecchiare le modifiche che abbiamo apportato. Gli schemi sono stati riscritti sia per traduzione che per includere le nostre modifiche.
Consigliamo di visitare il sito di Vern non solo per questo progetto ma anche per gli altri e per la grande quantità di utili informazioni che contiene.

La consolle di comando (Master Control Unit – MCU) è progettata per comandare un totale di 16 rampe, organizzate in quattro bank di quattro rampe ciascuno. Tra gli obiettivi del progetto c’era quello di ottenere un sistema leggero e relativamente piccolo ma allo stesso tempo robusto e protetto dagli agenti esterni. L’intero sistema è comandato da un cavo multipolare da 12 conduttori che portano solo segnali di controllo e sono quindi di piccola sezione. Il cavo utilizzato ha un diametro di soli 6mm ed è relativamente leggero.

Le varie parti del sistema sono collegate da quattro cavi di questo tipo, tutti identici, con identici connettori alle estremità ed intercambiabili e tutti della stessa lunghezza di 15 metri che permette di posizionare le rampe a 15, 30, 45 e 60 metri di distanza dall’LCO. Queste distanze sono quelle previste dal codice per motori rispettivamente fino a G, H, J e K. Le rampe per modelli più piccoli possono venire avvicinate all’LCO e agli spettatori grazie ai cavi per il collegamento degli accenditori, lunghi 5 metri ciascuno.
I quattro bank sono collegati tra loro in cascata, i segnali entrano in ogni bank ed escono per andare al successivo.

Per aumentare la sicurezza del sistema ogni bank ha un segnale sonoro che entra in funzione se scorre corrente nei contatti del relé di lancio. Quindi se i contatti del relé dovessero saldarsi assieme per un eccesso di corrente l’allarme segnala che non è sicuro collegare un accenditore. L’allarme suona anche quando viene premuto il pulsante di lancio. La MCU è dotata di un allarme che avverte quando il sistema è armato e pronto al lancio, e quando il pulsante di lancio viene premuto.

Il sistema è stato progettato per fornire anche una serie di indicazioni all’LCO. Lo strumento sulla MCU può indicare la tensione della sua stessa batteria, quella della batteria del bank selezionato, la resistenza dell’accenditore collegato ad ogni rampa e la corrente che scorre nell’accenditore al momento del lancio. Chi opera vicino alla rampa ha la possibilità di controllare la resistenza dell’accenditore semplicemente premendo un pulsante sul bank stesso e leggendo il valore sullo strumento di cui è dotato ogni bank. Ogni bank è alimentato da una batteria motociclistica al piombo-gel da 12 volt e 20 Ah che fornisce la corrente per il lancio. Ogni batteria è collegata al proprio bank tramite un cavo bipolare con conduttori da 4mm di diametro, molto flessibile e lungo 2 metri.

	Questa è la MCU aperta. Il contenitore è una valigetta in plastica estremamente robusta ed ermetica prodotta dalla Pelican e disponibile in Italia da RS Components. (Cod. 223-7484). La valigetta è talmente robusta che può sopportare il peso di una persona e una volta chiusa può essere immersa fino ad un metro sott’acqua.
	In questa foto si vede il pannello di controllo più da vicino. Il pulsante rosso è il pulsante di lancio, in basso a destra. E’ prodotto da Telemécanique e ha una corona attorno al pulsante che impedisce la pressione accidentale. A fianco c’è la chiave di sicurezza (la chiave non è presente). In basso a sinistra ci sono i quattro interruttori di selezione dei bank con i LED per confermare il banco selezionato. In alto nel centro c’è lo strumento che misura le tensioni delle batterie, le resistenze degli accenditori e la corrente di lancio. Quattro LED lungo il suo lato destro indicano quale misura si sta effettuando al momento. In alto a sinistra c’è l’interruttore di accensione col suo LED (giallo). I LED sono tutti ad alta luminosità per essere visibili anche alla luce del sole.
	Questo è il retro della MCU col coperchio aperto. Il connettore XLR tondo a tre poli serve per il collegamento con la batteria che alimenta l’unità. Il connettore Sub-D da 15 pin serve per il collegamento coi cavi di controllo che vanno ai bank. Il progetto originale prevedeva connettori tondi multipolari a standard MIL, robustissimi ma anche molto costosi. Abbiamo optato per dei comuni connettori Sub-D da computer perchè abbiamo constatato che nella precedente centralina hanno sopportato l’uso intensivo senza problemi. La valigetta è stata modificata in modo che il coperchio si possa aprire a 180 gradi.
	Questo è uno dei quattro bank. E’ realizzato in una scatola Gewiss da impianti elettrici, robusta, leggera ed ermetica, delle dimensioni di 24 x 19 x 9 cm. Queste scatole si sono rivelate l’unica soluzione pratica perchè altre scatole, anche più robuste e progettate per circuiti elettronici, avevano un prezzo decisamente troppo elevato. Ogni bank può comandare quattro rampe. Per ogni rampa c’è un pulsante di test premendo il quale si può leggere la resistenza dell’accenditore tramite lo strumento montato sul bank. La pressione del pulsante attiva anche un segnale acustico che indica la continuità dell’accenditore.
	Ogni bank ha un cicalino piezoelettrico ad intermittenza montato sotto il coperchio. Questo cicalino si attiva se scorre corrente attraverso i contatti del relé di lancio. Su ogni lato corto del bank è montato un connettore Sub-D femmina a 15 poli, per il collegamento dei cavi di controllo. Con questa disposizione il cavo di entrata e di uscita restano allineati in modo da ottenere un allineamento unico composto da cavi e bank alternati che va dall’LCO all’ultimo bank. Non esiste alcuna regola di connessione: ogni cavo può essere collegato a l’uno o l’altro dei connettori di qualunque bank. Non è neppure necessario collegare i bank nell’ordine A-B-C-D perchè funzionano in qualunque ordine. L’unico che deve essere necessariamente collegato come ultimo è il Bank D perchè ha un solo connettore di entrata.
	I cavi che vanno agli accenditori si collegano ai bank attraverso quattro prese di rete tipo USA. Queste prese sono state scelte perchè sono tra le poche prese bipolari che pur sopportando una forte corrente sono di piccole dimensioni, montabili a pannello ed economiche. .
	I cavi per gli accenditori si collegano con le corrispondenti spine, molto semplici e rapide da inserire e disinserire. Questi cavi sono composti da una sezione lunga 3 metri fatta con cavo bipolare in neoprene con conduttori da 1,5mm molto morbido e flessibile, collegati ad una sezione lunga 2 metri fatta con cavo bicolore in silicone
	Il connettore che unisce le due sezioni è di tipo Molex, utilizzato anche nelle batterie dei modelli elettrici ed in grado di sopportare correnti elevate, che è dotato di un aggancio a “dente” che impedisce lo sfilamento accidentale. Questi connettori sono fissati ai cavi sia per crimpatura che per saldatura per maggiore sicurezza. La separazione dei cavi in due sezioni permette di sostituire la sezione più corta con – per es. – un’altra dotata di clip Aerotech per l’uso con gli accenditori Copperhead o con altri tipi di terminali per usi diversi. Il cavo al silicone di cui sono fatte queste sezioni è eccezionalmente morbido e flessibile e resiste alle alte temperature senza rovinarsi.
	Per le nostre esigenze abbiamo preparato un certo numero di cavi con pinze a coccodrillo in acciaio inox, a becchi piatti e con dentino finale che hanno una presa più sicura sull’accenditore e sono molto resistenti all’ossidazione. Sono il modello AGF30 della Hirschmann e si trovano da Distrelec (Cod. 100601).
	La batteria si collega ad ogni bank tramite una presa tipo Euro. Sono prese economiche che sopportano correnti elevate, hanno il montaggio a pannello e – cosa indispensabile – si inseriscono solo in un senso in modo da rendere impossibile l’inversione di polarità. Inoltre sono cablate in modo diverso dallo standard usato per la corrente di rete in modo che solo i cavi realizzati appositamente possano inviare corrente al bank. Il cavo che va alla batteria è dotato della rispettiva spina ed è fissato alla batteria tramite bulloncini di acciaio inox da 6mm.

	La MCU ha 4 deviatori e 4 LED che sono utilizzati per selezionare la rampa dalla quale lanciare. Lo schema a fianco mostra i collegamenti, ed è una riduzione del progetto originale che prevede il doppio degli interruttori per comandare 8 rampe ogni bank. I deviatori sono organizzati in una matrice 4×1 che minimizza il numero di fili dei cavi di collegamento, ma per comandare il doppio delle rampe basta utilizzare solo un cavo in più (G2) che abbiamo cablato pur senza utilizzarlo al momento. In questo modo se dovessimo espandere la centralina un domani possiamo farlo senza bisogno di rifare tutto daccapo. Questi quattro deviatori producono 5 segnali chiamati P1, P2, P3, P4 e G1. La matrice funziona fornendo tensione ad una o più delle linee P1-P4 e un collegamento a terra della linea G1. La tensione e il collegamento a terra per questa matrice vengono forniti da un set di contatti del relé della MCU. Questo relé chiude i contatti ogni volta che viene selezionato un bank.
	Anche i selettori dei bank sono collegati secondo uno schema che riduce il numero di segnali di controllo. I quattro deviatori di selezione dei bank generano solo tre linee di controllo, BS1, BS2 e BSC. BS1 e BS2 possono essere attive o non attive e positive o negative rispetto a BSC. Ogni bank è collegato in modo tale da riconoscere solo una precisa combinazione di questi tre segnali.
	L’interruttore di sicurezza a chiave invia tensione al circuito del pulsante di lancio. La chiave non può essere rimossa se l’interruttore è ruotato in posizione PRONTO per evitare che l’interruttore resti in quella posizione se qualcuno toglie la chiave o se si dovesse perdere. Il segnale LP (Launch Power) è attivo solo quando un bank è stato selezionato. In questo caso si illumina il LED PRONTO se la chiave è in posizione ON. Quando si preme il pulsante di lancio, sulla linea L (Lancio) passa tensione che arriva al bank selezionato attraverso i cavi di controllo.
	La MCU ha un sistema di misura con quattro modi operativi diversi. Se nessun bank è selezionato lo strumento legge la tensione della batteria della MCU stessa. Quando viene selezionato un bank lo strumento mostra la tensione della batteria di lancio collegata ad esso. Quando viene selezionata una rampa lo strumento mostra la resistenza dell’accenditore collegato. Questo consente all’LCO di controllare che le connessioni siano a posto prima di inziare il countdown e procedere al lancio, e mostra anche quando l’accenditore è bruciato e quindi il motore non parte. Mentre il pulsante di lancio è premuto, lo strumento misura la corrente che passa attraverso i cavi che portano alla rampa. Questo torna utile per confermare che il bank funziona come deve e sta fornendo corrente all’accenditore.Il controllo della corrente permette anche di capire se l’accenditore funziona, se ci sono cortocircuiti, interruzioni, etc. Le linee SH ed SL fanno parte dei cavi di connessione e sono alimentate dal bank selezionato con i diversi segnali a seconda delle modalità descritte sopra (SH significa Sense High e SL significa Sense Low.)
	La MCU ha al suo interno un avvisatore acustico (cicalino piezoelettrico) con tre modi operativi. Quando la chiave di sicurezza è ruotata in posizione ON, il cicalino produce un suono continuo per circa un secondo, poi si spegne ma dopo 4 o 5 secondi emette due brevi bip per ricordare che il sistema è attivato e pronto al lancio. Questi due bip continuano ad essere emessi ogni 4-5 secondi. Quando viene premuto il pulsante di lancio il suono diventa continuo e prosegue finchè si tiene premuto il pulsante.
	Questo schema mostra il circuito di alimentazione a 5V che fornisce tensione alla logica digitale che comanda il cicalino della MCU descritto sopra. Il circuito è molto semplice e classico, ed utilizza il noto regolatore 7805. La seconda parte del disegno mostra il collegamento della batteria della MCU al fusibile, all’interruttore di accensione e al suo LED.
	Il diagramma a lato mostra la assegnazione dei conduttori dei cavi di collegamento ai pin dei connettori e ai segnali. Le linee necessarie nel nostro caso sono 11 (12 nel progetto originale) ma dato che non esistono connettori Sub-D da 11 o 12 pin abbiamo scelto di usare quelli da 15 pin, cablando tutti i conduttori del cavo. In questo modo abbiamo tre linee non utilizzate ma che scorrono lungo tutta la catena partendo dalla MCU senza interrompersi fino all’ultimo bank, il D. Nel caso in futuro nasca l’esigenza di portare qualche altro segnale si possono utilizzare queste linee senza bisogno di rifare i cavi o cambiare i connettori. Disponendo di 15 pin abbiamo scelto il cavo col numero di conduttori più vicino, ovvero un cavo con 16 linee. L’ultima, che non può essere collegata ad alcun pin, è stata lasciata all’interno dei cavi ed è raggiungibile da ogni connettore pur senza essere collegata ad esso. P1-P4 e G1-G2 sono alimentate dal selettore delle rampe. BS1, BS2 e BSC sono alimentate dal selettore dei bank. L viene dal pulsante di lancio ed SH – SL sono i segnali di ritorno dai bank che portano le informazioni per lo strumento della MCU. Tutti i cavi sono assemblati in modo identico e della identica lunghezza, e sono completamente intercambiabili tra loro e estremità con estremità.

I circuiti che seguono sono presenti in ogni bank quindi vanno realizzati in quattro esemplari.

	Questo è lo schema dei selettori delle rampe. La batteria di lancio è al piombo-gel da 12v e 20Ah, collegata al bank da un cavo di grossa sezione e lungo solo 2 metri in modo da trasferire tutta la corrente necessaria all’accenditore senza perdite. Ogni rampa viene selezionata attraverso un relé a singolo scambio di tipo automobilistico. Questi relé (cod. RS 178-2012) hanno i contatti tipo Faston, sono in grado di sopportare 40 A e hanno il pregio di essere piuttosto economici. I contatti di questi relé servono solo a selezionare la rampa che riceverà la corrente di lancio mentre la corrente vera e propria viene inviata dai contatti di un altro relé di tipo automobilistico (U9 negli schemi – cod. RS 349-2137) capace di sopportare una corrente continua di 70 A con picchi di 150 A. Il relé di lancio viene attivato solo quando un bank è stato selezionato dall’LCO e il pulsante di lancio viene premuto. Tutti i collegamenti a questi relé sono saldati, ed i relè sono collegati alle prese degli accenditori tramite dei tondini di ottone da 2mm saldati e delle trecciole in rame isolato da 1,5mm. I pulsanti P1-P4 sul disegno servono per il test della continuità di ogni rampa.
	Questo schema mostra come sono collegate le bobine dei relé di selezione delle rampe. Quando il bank è stato selezionato, il relé U10 chiude i contatti colegati a G1, G2 (non utilizzato nel nostro caso) ed L. Questo fa in modo che la tensione sulle linee P1-P4 possa scorrere attraverso le bobine dei relé e attraverso la linea G1 (e G2). In questo modo si attivano i relé 1-4 selezionati dagli interruttori sulla MCU. Quando viene premuto il pulsante di lancio, la linea L manda tensione alla bobina del relé di lancio (U9). La tensione dalla linea L scorre attraverso le linee G1 o G2, a seconda di quale delle due è collegata a terra al momento. Nel nostro caso la linea sarà solo la G1.
	Ogni bank è progettato per inviare tre segnali differenti alla MCU, attraverso le linee SH ed SL. Quando viene selezionato un bank, ma non è ancora stata selezionata alcuna rampa, il bank invia all’MCU un segnale che indica la tensione della propria batteria. Quando viene selezionata una rampa, l’unità invia un segnale che rappresenta la resistenza dell’accenditore collegato a quella rampa. Quando viene premuto il pulsante di lancio l’unità invia un segnale che indica la corrente che scorre nell’accenditore. Quando il bank non è selezionato si disconnette completamente dalle linee SH ed SL e le lascia libere per trasportatre i segnali di un altro bank. Queste quattro modalità diverse sono ottenute tramite i relé U13, U14 ed U15 dello schema. Quando viene selezionato il bank si attiva il relé U13, quando viene selezionata una rampa si attiva il relé U15 e quando viene premuto il pulsante di lancio si attiva il relè U14.
	La MCU può comandare quattro bank diversi. Questo schema mostra come è collegato un bank per rispondere quando BS1 è positivo rispetto a BSC. Il collegamento rappresentato nello schema è quello relativo al Bank A. Il Bank B viene selezionato quando BS2 è positivo rispetto a BSC. Il Bank C viene selezionato quando BS1 è negativo rispetto a BSC e il Bank D viene selezionato quando BS2 è negativo rispetto a BSC. Da notare che è possibile selezionare contemporaneamente solo i Bank A+B oppure C+D. Non si possono selezionare contemporaneamente tutti e quattro i bank.
	L’elettronica dei bank è alimentata a 5,6 volt da un circuito basato su un regolatore a tre terminali LM317. Questo componente preleva la tensione a 12 volt e fornisce in uscita una tensione stabile a 5,6 volt. Questo valore è stato scelto perchè fornisce il giusto margine utile per l’operazionale LT1078 del circuito di misura della resistenza, ma è anche abbastanza basso per alimentare il sensore di corrente LTS 15-NP. Le resistenze di regolazione che determinano l’esatto valore di corrente sono di alta precisione a film metallico, con una tolleranza dello 0,1%.
	Il circuito di rilevamento della corrente invia un segnale alla MCU che permette all’LCO di sapere quanta corrente sta scorrendo nell’accenditore mentre è premuto il pulsante di lancio. Questo è molto utile per controllare cortocircuiti o falsi contatti, ed è anche un buon modo per controllare che i bank funzionino come devono e che la batteria fornisca la corrente sufficiente.

Il circuito di rilevamento della corrente è basato su un sensore ad effetto Hall LTS 15-NP, un ingegnoso componente prodotto dalla svizzera LEM. Questo sensore fornisce una uscita calibrata di 0,625V per 15A. Il datasheet è disponibile qui. E’ disponibile da Distrelec(cod. 241826) a circa 15,00 euro. L’uscita del sensore è amplificata da un operazionale LT1078 con un guadagno nominale di 4,8 volte. In questo modo si ottiene un fattore di scala per il quale 1V corrisponde a 5A di corrente, che è quanto si aspetta di leggere lo strumento sulla MCU.

Il bello di questo componente è che non introduce alcuna caduta di tensione in serie alla corrente di lancio. La corrente passa semplicemente lungo un conduttore di grossa sezione, ed un elemento ad effetto Hall all’interno del componente legge il campo magnetico generato attorno al conduttore dalla corrente che scorre in esso. L’uscita del sensore è una tensione proporzionale alla forza del campo magnetico e quindi proporzionale alla corrente.Il circuito di misura della resistenza invia un segale alla MCU che permette all’LCO di leggere la resistenza dell’accenditore collegato alla rampa selezionata. Una lettura vicina allo zero è un cortocircuito, ed una lettura maggiore di alcuni ohm indica generalmente una interruzione. La maggior parte degli accenditori ha un valore compreso tra 1 e 2 ohm. La resistenza dell’accenditore è indicata anche dallo strumento montato su ogni bank. Questo permette a chi opera alla rampa di controllare immediatamente la resistenza. Il circuito fornisce anche un avviso acustico che indica la presenza di continuità, indipendentemente dalla effetiva resistenza dell’accenditore.Questo circuito funziona inviando una corrente di test da 1mA che scorre nell’accenditore e causa una caduta di tensione di 1-2mV. Questo valore non è sufficiente per accendere l’accenditore ma è abbastanza per controllare la sua resistenza. La resistenza dell’accenditore è proporzionale alla caduta di tensione che produce con la corrente di test da 1mA. Il circuito è molto sensibile e misura anche solo la resistenza dei cavi di collegamento agli accenditori (che è di 0,6 ohm). Per questa ragione il valore che si legge non è mai pari a zero.

L’amplificatore operazionale LT1078 amplifica la tensione di 1000 volte fornendo una tensione in uscita che equivale ad 1V per ogni ohm di resistenza, che è il valore che si aspetta lo strumento della MCU. Lo strumento montato sul bank mostrerà lo stesso valore. Questi strumenti sono da 1mA fondo scala in modo che la resistenza da 2,2K e il trimmer da 2K possano essere usati per la calibrazione finale.

I due transistor 2N3904 creano un circuito di controllo della continuità che attiva il cicalino piezoelettrico se l’accenditore ha continuità indipendentemente dal reale valore di resistenza. Il circuito attiva anche lo strumento attraverso il FET 2N7000. In questo modo lo strumento resta spento se non ci sono accenditori collegati. Senza questo accorgimento lo strumento resterebbe sempre alimentato e forzato oltre il fondo scala ad indicare una resistenza infinita. L’alimentazione a 5,6V fornisce un margine sufficiente in modo che l’LT1078 vada in saturazone a circa 4,1V. Questo fornisce un buon limite superiore per pilotare il sistema di misura ed evitare una sovraalimentazione degli strumenti che può danneggiarli.

Il circuito di misura della resistenza richiede un amplificatore a basso offset, alta stabilità ed alto guadagno come l’LT1078. Questo componente è disponibile in versione dual quindi uno dei due amplificatori può essere utilizzato nel circuito di misura della resistenza e l’altro nel circuito di misura della corrente.  In questa foto si vede l’interno di un bank. Il cablaggio è realizzato in modo volante tranne i circuiti elettronici per i quali il nostro amico Claudio Leidi ha realizzato uno stampato che raggruppa il circuito di misura della resistenza, quello di misura della corrente e l’alimentatore.