Todos los que habéis practicado el aeromodelismo conocéis sin duda las bujías "glow", constituidas por un pequeño filamento de platino que en el instante previo a arrancar el motor debe ser puesto en estado de incandescencia por una batería de 1,5 volts.
Seguidamente, cuando se haga girar el motor, bien sea a mano o con un arrancador eléctrico, la mezcla combustible de metanol y aceite entrará pulverizada en la cámara de combustión e incidirá sobre el filamento, el cual tanto por su temperatura como por la conocida acción catalítica del platino, producirá su explosión y el consiguiente arranque del motor.
Una vez en marcha, las propias explosiones mantendrán el filamento en estado de incandescencia, por lo que la batería ya podrá desconectarse y guardarse para un próximo vuelo.
Vista lateral de una bujía "glow" y de su filamento de incandescencia
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En la práctica, el margen de ajuste de la carburación era tan estrecho y tan variable por las características de la mezcla o por las condiciones atmosféricas, que no era infrecuente ver a un aeromodelista batallar y desesperarse con su motor durante media hora seguida sin conseguirlo arrancar.
Recuerdo que para asegurarse el encendido de la bujía, algunos optaban por cortar un vaso de una batería de plomo de 45 A/h y utilizarlo como alimentador. Pero la tensión de este elemento alcanza los 2,2 volts, lo cual solía provocar que algunas bujías se fundieran a los pocos segundos de conectarse, o que acabaran haciéndolo de cualquier forma en el momento del arranque, cuando a la acción de la corriente eléctrica se sumaba el calor de la propia explosión.
Para evitar estos inconvenientes, aparecieron en el mercado unos circuitos reguladores que bajaban los 12 volts de la batería del coche hasta los 1,5 para la bujía. Los que eran simples estabilizadores no iban muy bien, ya que, al tener que disipar 30 ó 40 vatios, se calentaban casi más que la propia bujía y sólo podían estar conectados durante un tiempo breve. Los de conmutación eran mejores, pero seguían padeciendo el problema de que si se ajustaban a poca tensión, el filamento se apagaba con el combustible, produciendo el clásico "ahogamiento", y si en cambio se apuraban para que dieran un brillo consistente, a menudo ocurría la temida fusión.
En este punto, se me ocurrió la idea de intentar diseñar un circuito conmutado que fuera "inteligente". Es decir, que pudiera por ejemplo ajustarse a una tensión media que mantuviera el filamento con un moderado rojo cereza, pero que reaccionara inyectando más tensión en el momento en que la mezcla de combustible pretendiera enfriarlo, recuperando después su estado inicial.
Para ello era necesario que el circuito pudiera "saber" de alguna forma la temperatura del filamento, lo cual no era fácil. El primer paso fue medir la curva que relaciona la tensión de alimentación con la intensidad que circula a su través, y mediante ambos datos hallé su resistencia en cada punto. En el diagrama inferior podemos observar claramente el efecto del aumento de resistencia con la intensidad (y por tanto con la temperatura). Para una bujía OS Nº 8, dicho valor es de 0,14 Ohms a temperatura ambiente, pero sube hasta 0,38 Ohms con 4 Amp. de intensidad, punto que corresponde al filamento encendido al rojo blanco, actuando por lo tanto como una conocida PTC (Positive Temperature Coeficient).
Curva Tensión-Intensidad-Resistencia-Color del filamento de una bujía "glow"
Estaba claro que la medida de la temperatura, con la bujía montada en el motor, sólo era posible de manera indirecta, midiendo su resistencia, pero ya que el regulador debería funcionar a conmutación ¿De qué manera podía hacerse?
Durante una semana realicé bastantes pruebas antes de dar con un circuito funcional que expongo a continuación:
Circuito alimentador conmutado "inteligente" para bujías "glow"
El circuito, sencillo en apariencia pero de interpretación algo compleja, se divide en 3 partes básicas:
1) Un gatillo Schmitt formado por los transistores TR1 y TR2 y las resistencias R2 y R3.
2) El amplificador de impulsos formado por el driver TR3 y el transistor de potencia TR4.
3) El circuito de constante RC formado por D1, D2, R6, C1, P1 y la resistencia B de la propia bujía.
El zener DZ1 regula la tensión de alimentación del Schmitt a 8 volts, estabilizando también su punto de disparo y desactivación. En cuanto a C2, R7 y el auricular de alta impedancia Z1, forman un monitor de funcionamiento con el que podemos "oír" los impulsos de audio resultantes, de una frecuencia de una decena de hertz, y saber si la bujía está bien conectada (a veces las pipas de contacto solían fallar) y si el circuito está en stand-by o actuando.
El circuito principal es en esencia un oscilador conmutado regulable con el potenciómetro P1 en que el tiempo en el cual la onda cuadrada de excitación está en 1, está controlado por la propia resistencia de la bujía, (a mayor resistencia y temperatura, el tiempo de impulso se reducirá, pero a menor resistencia y temperatura el tiempo de impulso aumentará) de manera que si para un cierto punto de ajuste de P1 el filamento de la bujía sufre una repentina bajada de la temperatura debida al combustible, el circuito reaccionará aumentando el tiempo que aplica tensión al filamento, con lo que su temperatura y por tanto su resistencia volverá a aumentar, vaporizando al instante el combustible.
El funcionamiento puede verse más claramente , en el diagrama siguiente (aunque para una mejor comprensión no se representa a la escala en que aparece en el osciloscopio):
La curva de arriba muestra la oscilación que se establece en bornes de condensador electrolítico C1, estando marcadas con dos líneas horizontales puenteadas los valores en que se activa y desactiva el gatillo Shmitt
La curva de abajo representa la excitación al transistor de potencia, y por lo tanto la tensión puntual de de entre 8 y 11 volts que se aplica al filamento de la bujía.
1) Si despreciamos el primer impulso transitorio en que el condensador estrará totalmente descargado, a partir del segundo podemos observar que C1 estará en el voltaje equivalente a V.ON, y el circuito Schmitt estará por lo tanto con TR1 bloqueado y TR2 conduciendo, y provocando que los transistores de control también esten conduciendo, con lo que, en teoría, el filamento está recibiendo una tensión alta, de entre 8 y 11 volts durante un breve tiempo porcentual, que lo mantendrá en un moderado "rojo cereza".
2) La curva de carga del condensador C1, que se carga a través del diodo D2 asciende hasta el valor más alto, el V.OFF, en este momento se TR1 se vuelve conductor y TR2 se bloquea, con lo que interrumpe a TR3 y TR4 y cesa la tensión aplicada al filamento.
3) En este momento C1 comienza a descargarse a través de D1 y R6. Y en el momento en que su tensión llega de nuevo a V.ON, el Shmitt vuelve a cebarse y por lo tanto a polarizar TR3 y TR4 para repetir el mismo ciclo de impulsos que podemos ver en la parte baja del diagrama marcado con las claves "normal".
Esta situación es de momento estable. Ahora bien ¿Qué ocurrirá si el combustible moja el filamento hasta el punto en que lo enfría?
4) En este caso, la resistencia del filamento bajará y por tanto el divisor de tensión que éste forma con la propia resistencia interna de TR4, que es del tipo 2N3055, provocará que haya menos tensión para cargar el condensador C1 a través de D2, con la consecuencia que el tiempo de carga será más largo (impulsos marcados con la clave como "compensados") y la duración de los impulsos aumentará repentinamente, inyectando mucha más tensión media la filamento de la bujía y provocando su repentina subida hacia el "rojo blanquísimo" y la inmediata vaporización del combustible.
6) Una vez el combustible ya no enfría el filamento, éste sube repentinamente su resistencia y permite que el impulso vuelva a acortarse hasta su estado normal permaneciendo el filamento en el "rojo cereza".
En resumen: utilizando un alimentador normal para bujías, al dejar caer una gota de metanol sobre el filamento, éste se enfriaba y tardaba en vaporizarlo entre 5 y 10 segundos, pero en mi alimentador inteligente la reacción era tan rápida, que a la décima de segundo que la gota tocara el platino, aparecía debajo de ella un brillo repentino y era "escupida" literalmente a 30 cm. de distancia. La diferencia era mayor aún en el caso de utilizar una gota pura de aceite de ricino, ya que en mi alimentador desaparecía por completo en medio segundo, cuando en los normales solía mantenerse humeando por espacio de medio minuto.
La consecuencia práctica fue que este circuito arrancaba siempre a la primera todos lo motores y nunca llegué a fundir una bujía por esta causa. El problema era que muchos compañeros querían usar el regulador, de manera que a veces tuve que hacer cola para utilizarlo.
Por este motivo llegué a realizar una veintena de circuitos impresos improvisados que regalé entre ellos para que su construcción fuera más fácil. Quedando una vez acabado como muestran las imágenes que vienen a continuación.
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