Навигационные комплексы Гланасс и Новстар

Сочетание обоих способов фазирования позволяет оперативно и рационально

управлять шкалой времени НП и добиваться высокой точности совмещения

временных интервалов со шкалой НИСЗ.

Отличительной особенностью сверки ШВ пунктов с известными координатами

является возможность работы лишь по одному НИСЗ. Однако в таком случае

нужна другая АП работающая по одному спутнику. Но это приносит и свои

негативные стороны (необходима специфическая аппаратура потребителей).

Поэтому кратко рассмотрим аппаратуру принятия ШВ с НИСЗ.

2.2. Выбор и обоснование аппаратуры приёма шкалы времени

2.2.1Одноканальная АП

Одноканальная АП используется на объектах с низкой динамикой, таких как

танки, средства топопривязки, носители ранцев, самолеты гражданской

авиации, морские суда, неподвижные объекты геодезии, картографии.

Характерной особенностью одноканальной АП является последовательный по

времени прием сигналов НИСЗ.

В зависимости от продолжительности времени приема сигналов от НИСЗ

различают одноканальную АП последовательного приема, когда

продолжительность приема сигналов каждого НИСЗ составляет 0,2...2 с, и

мультиплексную АП, где продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ не

превышает единиц миллисекунд. В последнем случае продолжительность приема

значительно меньше постоянной времени следящих измерителей АП, что

позволяет организовать фактически непрерывное слежение за несколькими НИСЗ

и одновременное измерение их радионавигационных параметров. Благодаря

цифровой обработке сигналов и программной реализации следящих измерителей

увеличение аппаратурных затрат в мультиплексной АП оказывается

незначительным по сравнению с одноканальной АП последовательного приема.

Следует отметить, что вследствие мультиплексирования средний энергетический

потенциал радиолинии АП — НИСЗ снижается (при слежении за сигналами четырех

НИСЗ минимум на 6 дБ), что приводит к снижению помехоустойчивости

мультиплексной АП.

Анализ структурных схем одноканальной аппаратуры различных потребителей

показывает почти полную их идентичность. Различие заключается в

конструктивном исполнении, в применении элементной базы той или иной

степени интеграции.

Аппаратура принимает сигналы последовательно во времени.

Продолжительность приема сигнала каждого НИСЗ переменная в зависимости от

режима работы, но не более 2 с. Перед началом работы оператор вводит

априорные координаты места и текущее время. При погрешности ввода координат

до 25 км и времени до 30 с и при наличии действующего альманаха в ЗУ

сменных констант поиск сигнала требуется произвести максимум на двух

элементах неопределенности по частоте. Общее время поиска не более 30 с.

После установления синхронизации с сигналом первого НИСЗ производится

установка своего хранителя времени с точностью 0,1 мс относительно

системного времени.

Иллюстрируя возможности построения АП системы «Глонасс», кратко опишем

одноканальную АП «АСН-37» для гражданских самолетов.

Аппаратура «АСН-37» предназначена для автоматической работы в

беспультовом варианте (без участия оператора) с комплексом цифрового

пилотажно-навигационного оборудования самолета и использует весь объем

данных о движении самолета от инерциальных систем, вырабатывая, в свою

очередь, оценки плановых координат, высоты и составляющих вектора скорости

для комплексной обработки и коррекции инерциальных систем.

Специфическим отличием радиосигналов системы ”Глонасс” от радиосигналов

системы “Навстар” является наличие литерных частот несущей радиосигнала

каждого НИСЗ, что обеспечивает частотное разделение сигналов в АП. Для

приема радиосигналов с литерными частотами в АП системы “Глонасс”

используется синтезатор литерных частот (СЛЧ), управляемый навигационным

процессором в гетеродинах радиочастотного преобразователя. Конструктивно

СЛЧ находится в радиочастотном преобразователе.

В АП “АСН–37” литерные частоты синтезируются с шагом 0,125 МГц на

частоте 356 МГц. Сигнал первого гетеродина формируется умножением литерных

частот на 4, сигнал второго гетеродина – делением на 2. При этом первое

преобразование частот принимаемого сигнала компенсирует 8/9 литерного

разноса частот сигналов каждого НИСЗ, а второе преобразование – оставшуюся

1/9 литерного разноса частот. Выбор рассмотренного частотного плана

радиочастотного преобразователя позволил минимизировать аппаратурные

затраты для одноканальной АП, используя один синтезатор частот для двух

гетеродинов. Однако применение подобного частотного плана преобразует

спектр демодулированного ФМ сигнала на нулевую вторую промежуточную

частоту. Для стабилизации и повышения устойчивости работы выходных каскадов

радиочастотного преобразователя введена дополнительная модуляция ПСП

суммированием по модулю 2 с меандром частоты 0,125 МГц, являющийся

поднесущей для демодулированного сигнала.

Навигационный процессор состоит из: микропроцессора серии 1806 ВМ2;

оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) объем которого 8К байт;

постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) объемом 64К байт и

преобразователя интерфейса, который измеренные данные в виде

последовательного кода передает в тракт дальнейшей обработки сигнала.

Производительность микроЭВМ 300 00 коротких операций в секунду.

Технические характеристики «АСН-37» следующие:

погрешности определения широты, долготы 45 м,

высоты 65 м

путевой скорости 0,25 м/с;

текущего времени 1 мкс;

масса 13 кг;

Отметим, что предыдущая модификация АП «АСН-37», именуемая «АСН-16» (также

разработка РИРВ), прошла успешные испытания на самолете «Боинг-747»,

которые проводились по плану совместных работ с американскими фирмами

«Ханнивелл» и «Нортвест эйрлайнз». На испытаниях был подтвержден одинаковый

уровень точности АП «АСН-16» и аналогичной американской АП, работавшей по

сигналам системы «Навстар».

Дальнейшее развитие АП типа «АСН-16» — «АСН-37» направлено на создание

многоканальной интегрированной АП, работающей одновременно по сигналам

систем «Глонасс» и «Навстар» и удовлетворяющей требованиям международного

стандарта.

Морские суда оснащаются навигационной АП «Шкипер», работающей по сигналам

системы «Глонасс». Эта аппаратура научно-исследовательского института

космического приборостроения (Москва) определяет географические координаты

и путевую скорость судна, расстояние, пройденное с момента включения

аппаратуры или от заданной точки; расстояние между заданными точками

маршрута; рекомендованный курс следования в заданную точку с сигнализацией

о достижении заданной точки или об отклонении от маршрута; время прибытия в

точку назначения с заданной скоростью; маршрутные координаты; коммерческие

задачи.

2.2.2Многоканальная АП

Многоканальная аппаратура предназначена для высокоточных определений

координат, составляющих вектора скорости и поправки шкалы времени

высокодинамичных потребителей в условиях организованных помех. К разработке

многоканальной АП, обладающей уникальными возможностями навигационно-

временного обеспечения, постоянно приковано внимание специалистов ведущих

фирм мира. Применение современной технологии, позволяющей резко повышать

плотность компоновки полупроводниковых приборов и расширять возможности

реализации цифровых способов обработки сигналов, приводит к постоянному

совершенствованию архитектуры АП. В сочетании с модульным принципом

конструирования созданы образцы четырех- и пятиканальной аппаратуры объемом

15 дм2 и массой 12 кг. Ставится задача дальнейшего их уменьшения хотя бы на

порядок.

Число каналов многоканальной АП в первую очередь определяются

динамическими характеристиками потребителя. Так, АП высокодинамиеских

потребителей, штурмовиков и некоторых видов ракет содержит пять каналов

приема радиосигналов, при этом четыре канала используются для непрерывного

слежения за несущей и задержкой радиосигналов четырех НИСЗ, обеспечивая тем

самым непрерывное решение навигационной задачи, а пятый канал используется

для поиска, синхронизации и приема информации от новых НИСЗ, обеспечивая

непрерывную смену рабочих созвездий. Следует отметить, что пятиканальная

аппаратура применяется также на таком малодинамичном объекте, как подводная

лодка, но это обусловлено требованием малого времени до первого

определения координат.

Четырехканальная АП находит применение на ракетах разного класса.

Необходимость в пятом канале здесь отпадает, так как ввиду относительно

малого времени полета смена рабочих созвездий НИСЗ не производится.

Двухканальная АП применяется на объектах со средней динамикой, таких как

транспортные самолеты, некоторые ракеты, отдельные классы кораблей,

самолеты гражданской авиации. Один канал АП этого типа используется для

последовательного во времени приема и обработки радиосигналов четырех НИСЗ

рабочего созвездия, а второй канал также, как и пятый канал в пятиканальной

АП, – для обновления рабочего созвездия.

Многоканальная аппаратура различных разработок, как правило, имеет

следующие основные технические характеристики:

чувствительность приемника не хуже 166 дБВт;

погрешность измерения квазидальности не хуже 1,5 м ,

квазискорости не хуже 1,5 см/с при отношении с/ш, равном 30 дБГц,

и при следующей динамике движения потребителя:

максимальная скорость до 1100 м/с и выше,

ускорение до 10g,

рывок до 5g/с;

помехоустойчивость при поиске 24 дБ (кодС/А),

при слежении 40 дБ (код Р),

при удержании сигнала 47 дБ (код Р),

погрешность определения плановых координат не хуже 10 м;

время до первого определения координат не более 2,5 мин.

Как видно из изложенного для решения задачи поставленной в дипломном

проекте достаточно одноканальной аппаратуры потребителей. Наиболее

предпочтительным вариантом является аппаратура «АСН-37».

2.3.Выбор и обоснование структурной схемы аппаратуры сверки и коррекции ШВ

Для вычисления поправки к ШВ ЭЧ как наиболее удовлетворяющий

современным тенденциям области проектирования устройств цифровой обработки

информации будем использовать микропроцессорный элемент. Тем самым мы

обеспечим гибкость разработанного вычислителя по отношению к изменениям в

его структуре (например, изменение алгоритма вычисления), уменьшится

количество применяемых элементов, снизится стоимость разработки на этапе

проектирования и внедрения, повысятся характеристики по точности и

быстродействию. Таким образом, очевидно, основным элементом вычислительного-

корректирующего устройства является микропроцессор.

Упрощенно структура микропроцессорного ядра включает в себя

микропроцессор, микросхему постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для

хранения управляющей программы, микросхему ОЗУ для хранения оперативной

информации и микросхему электрически стираемого ПЗУ, а так же микросхему

интерфейса для связи с внешними устройствами. В ЭППЗУ можно хранить

установки режимов работы, ряд констант, поправки к ШВ UTC, СЕВ и прочую

информацию, которая не является постоянной, но не меняется на протяжении

длительного промежутка времени.

Т. к. в качестве АПШВ нами принята система «АСН-37», не имеющая

собственных органов управления необходимо предусмотреть пульт управления и

индикаторное устройство.

Для нормального функционирования процессора в условиях некачественного

питания, следует дополнить разрабатываемое устройство рядом функциональных

узлов, которые позволили бы исключить такие опасные явления, как работа в

неопределенном режиме, а также генерирование неопределенных состояний

портов при неполноценном сбросе. Работа вычислительного узла в

неопределенном режиме опасна, поскольку в данном случае процессор может

выполнять действия, не предусмотренные программой. Процессор может войти в

этот режим при медленных изменениях напряжения питания (например, при

включении и выключении), когда сигнал сброс не функционален. Если

напряжение питания упадет ниже критического значения, а затем восстановится

(либо будет медленно снижаться), а сигнал сброса в этот момент не поступит,

то произойдет описанный эффект. Для борьбы с этим явлением требуется

специальная схема, назначение которой – подавать сброс на процессор в те

моменты, когда напряжение питания находится ниже допустимого уровня.

Структурная схема такого устройства изображена на листе 2 графического

материала и в Приложении. Она является базой для дальнейшего построения на

её основе функциональной и принципиальной схем.

2.4. Выбор и обоснование функциональной схемы устройства сверки и коррекции

ШВ

Как уже говорилось выше основной частью устройства сверки и коррекции

ШВ является микропроцессорное ядро.

2.4.1. Выбор микропроцессора

Основой микропроцессорного ядра является собственно микропроцессор.

Поэтому от его выбора в основном и зависит выбор остальных составляющих.

При его выборе зададимся следующими параметрами:

5. быстродействие;

6. точность;

7. трудоемкость вычислений.

Существует большое количество микропроцессоров и микроЭВМ, выпускаемых

различными фирмами в различных странах. Отметим отечественные

микропроцессорные комплект серий 580 и 1820. Первый из них известен

достаточно давно и широко используется при обучении, однако для наших целей

он не годится т. к. имеет ряд существенных недостатков (малая скорость

вычислений, несколько напряжений питания, большое число внешних элементов).

Достоинством второго процессора является невысокая стоимость и

легкодоступность. Но для наших целей он не годится и прежде всего, потому

что является 4–х разрядным, что ограничивает его вычислительные

возможности. Более производительными являются процессоры серии 1835

отечественного объединения "Интеграл". Центральным процессорным элементом

является микросхема К1835ВЕ51.

Достоинством данного процессора является:

8. невысокая потребляемая мощность;

9. одно напряжение питания;

10. сравнительно высокое быстродействие;

11. большое адресное пространство;

12. легкодоступность.

В процессоре имеется возможность последовательного ввода/вывода данных,

что позволит сократить количество линий связи и упростить схему

ввода/вывода. В процессоре предусмотрено подключение внешней памяти данных

и команд, при этом адресное пространство может быть увеличено до величины

64К для ПЗУ и 64К для ОЗУ.

Выбранный микропроцессор обладает следующими характеристиками:

Разрядность адреса . . . . . 16

Разрядность данных . . . . . 8

Количество регистров общего назначения . . . 32

Разрядность регистров общего назначения . . . 8

Количество каналов обмена . . . 4

Формат команд . . . . . 1,2,3 байта

Объем адресуемой памяти команд . . . 64 кБайт;

Объем внутренней памяти команд . . . 4 кБайт;

Количество (базовых) команд . . . . 111

Время выполнения команд:

сложения регистр–регистр . . . 1.0 мкс;

сложения регистр–память . . . 2.0 мкс;

умножения/деления . . . . 4.0 мкс;

Объем адресуемой памяти данных . . . 64 кБайт;

Объем внутренней памяти данных . . . 128 Байт;

Скорость обмена данных в последовательном канале вв./выв. – 375000 бит/с

2.4.2. Выбор ОЗУ

Внутреннее ОЗУ процессора недостаточно велико, и поэтому прибегаем к

применению внешнего ОЗУ. В качестве ОЗУ применим микросхему К537РУ10. Серия

537 построена на основе КМДП – логики. Функциональный ряд серии включает

более 20 типономиналов микросхем, отличающихся информационной емкостью (от

1024 до 65 536 бит), организацией (одноразрядная и словарная),

быстродействием и потребляемой мощностью. Самой удобной для нас является

микросхема со словарной организацией и асинхронным управлением, поскольку

при этом не требуется дополнительных средств сопряжения ИС ОЗУ с МП

(внутренняя аппаратная поддержка МП настроена на такой тип микросхем ОЗУ).

Разрядность данных должна быть равной 8. Выбираем ИС К537РУ10 – микросхему

8–ми разрядного статического ОЗУ, так же выпускаемую отечественным

объединением "Интеграл".

Микросхема имеет следующие технические характеристики:

Время выборки . . 20 нс;

Емкость бит . . . 2Кх8;

Потребляемая мощность . 28 мВт;

Диапазон рабочих температур – 10…+ 70(С

Совместимость по входу и выходу с TTL и КМОП схемами.

Как уже отмечалось в микропроцессорный узел необходимо включить

электрически репрограммируемое ПЗУ. При выборе ИС EEPROM будем

руководствоваться прежде всего простотой сопряжения последней с МП. Это

относится как к согласованию сигналов (требуется уровень КМОП), так и к

организации передачи данных. Удобным является применение последовательного

интерфейса, поскольку при этом минимизируется количество используемых

выводов процессора. Выберем микросхему EEPROM КР1568РР1. Она имеет объем,

равный 256 байт. Микросхему выпускает завод "Интеграл".

Характеристики этой микросхемы таковы:

Напряжение питания . . . . . 5В;

Емкость бит . . . . . . 256х8;

Потребляемая мощность . . . . . 1 мВт;

Сохранность информации при отсутствии питания . 10 лет

Кол-во циклов записи в одну ячейку . . . ( 10000

Достоинством выбранной микросхемы является применение интерфейса по

протоколу I2C, что позволяет сократить число линий связи до двух. Однако в

этом случае необходимо программно обеспечить поддержку протокола I2C, что

приводит к некоторому усложнению рабочей программы.

2.4.3. Выбор ПЗУ

В микропроцессорное ядро должно входить внешнее ПЗУ, где будет

храниться рабочая программа.

В качестве ПЗУ можно взять микросхему К573РФ7 отечественного

производства либо микросхему 27С256 фирмы Microchip. Указанные микросхемы

удовлетворяют по требованиям к быстродействию. Потребляемая мощность м/сх

24С256 составляет 125 мВт, а у К573РФ7 – 600 мВт.

Основные параметры:

Время хранения информации

при включенных источниках питания > 25000 ч.;

при выключенных источниках питания > 100000 ч.;

Число циклов программирования > 25;

Напряжение питания + 5 В;

Напряжение программирования 21,5 В.

При подключении ПЗУ к МП следует учитывать особенности организации

обращения и передачи данных с внешнего ПЗУ у данного процессора. Для

передачи данных и для передачи младших разрядов адреса используется одна и

та же шина, поэтому требуется аппаратное разделение данных и адресов.

2.4.5. Выбор устройства ввода-вывода

В качестве порта ввода-вывода для обслуживания индикатора и пульта

управления выберем м/сх КР580ВВ55А.

Микросхема КР580ВВ55А – программируемое устройство ввода-вывода

параллельной информации, позволяющее сопрягать различные типы устройств с

шиной данных. Таким образом БИС обеспечивает возможность построения

современных систем цифровой обработки.

Основные параметры:

Напряжение питания микросхемы 5 В

Диапазон рабочих температур – 10…+ 70(С

Ток потребления 120 мА

2.5. Алгоритм работы устройства СКШВ

Рассмотрим алгоритм вычисления поправки по введенному текущиму времени

ЭЧ и временем полученным с НИСЗ. Данный алгоритм представляет собой часть

программы обслуживания устройства.

Вначале производится настройка процессора на требуемые режимы работы с

внешними устройствами и обмена данными с ними, устанавливаются биты,

отвечающие за различные режимы работы процессора. Затем устанавливаются

начальные значения необходимых переменных, инициализируются служебные

константы, необходимые для работы программы.

Далее осуществляется загрузка текущего врмени ЭЧ, далее – текущего

времени с НИСЗ. Для компенсации временной задержки между вводом ШВ ЭЧ и

НИСЗ, от последней вычитается время необходимое на её загрузку.

Производится расчёт расхождения между шкалами времени, определяется его

знак и выдаётся сигнал на коррекцию ЭЧ.

Производится выдача времени на иникатор в требуемом формате и опрос

состояния кнопок ПУ.

Затем цикл повторяется. до тех пор пока длится работа

микропроцессорного узла.

Рабочий алгоритм приведён на листе 4 графическрго материала.

2.6. Синтез принципиальной схемы устройства СКШВ

Электрическая принципиальная схема вычислителя представлена на листе 5.

Как уже отмечалось в качестве центрального микропроцессора выберем

микросхему К1835ВЕ51.

При подключении ПЗУ к МП следует учитывать особенности организации

обращения и передачи данных с внешнего ПЗУ у данного процессора. Для

передачи данных и для передачи младших разрядов адреса используется одна и

та же шина (порт AD процессора), поэтому требуется аппаратное разделение

данных и адресов. С этой целью применим регистр параллельного сдвига, в

качестве которого с учетом требований к быстродействию и разрядности

применим 8–разрядный регистр К1554ИР23.Выходы порта AD МП и входы Х0...Х7

ИР23 соединим непосредственно, а так же подключим эту шину на выходы

D0...D7 ПЗУ. Вывод OE ИР23 следует подключить к нулю, при этом будет

разрешен вывод информации на выходы Y0...Y7 ИР23. Сигнал ALE МП подключим к

выводу CS ИР23. Наконец, выводы А8...А14 МП подключим к выводам А8...А14

ПЗУ. По этой шине передаются старшие биты адреса считываемой информации.

Процесс передачи очередного командного слова в процессор протекает

следующим образом. МП выставляет на шину AD0...AD7 и А8...А14 15–ти

разрядный адрес считываемого слова. По сигналу ALE ИР23 передает и

защелкивает на своем выходе, а значит, на входе ПЗУ, младшие биты адреса,

тогда как старшие биты уже там присутствуют. Затем МП подает команду РМЕ,

по которой ПЗУ выставляет считываемое слово на шину AD, по которой оно и

попадает в процессор.

Порт ввода-вывода осуществляет обмен информацией с микропроцессором по

8-и разрядной двунаправленной шине данных. Для связи с переферийными

устройствами используются линии ввода-вывода, сгрупированные в три 8-и

разрядных канала A, B, C, направление передачи информации через канал

определяются программным способом. Выбор соответствующего канала и

направление передачи информации через канал определяются сигналами A0, A1,

[pic], [pic], [pic].

Организация подключения микросхемы ОЗУ в целом аналогична тому, как это

произведено при подключении ПЗУ. Для разделения младших разрядов адреса и

данных так же применим регистр на микросхеме ИР23. Управляющими сигналами

здесь являются WR и RD МП. По сигналу WR происходит запись информации в

ОЗУ, тогда как сигнал RD сопутствует считыванию информации.

Узел индикации и опроса кнопок пульта управления состоит из регистра

сегмента индикатора, дешифратора разряда индикатора, собственно индикатора,

клавиатурного поля 3 х 4.

В качестве индикатора выберем светодиодный индикатор АЛ318А красного

свечения. В качестве регистра используем м/сх К555ИР27, а дешифратора

К555ИД4.

К555ИД4 – восьмиразрядный дешифратор:

Напряжение питания 5 В;

Потребляемая мощность 10 мА

К555ИР27 – 8-ми разрядный регистр

Напряжение питания 5 В;

Потребляемая мощность 20 мА

Рассмотрим подключение электрически репрограммируемого ПЗУ 1568РР1.

К выходу RST микросхемы присоединим RC–цепочку, которая служит для

нормальной работы внутреннего генератора напряжения записи. Параметры

цепочки, рекомендуемые справочной литературой :

R14=22К, С7=22нФ.

Необходимо так же оценить тактовую частоту процессора. При требуемой

скорости обработки информации необходимо обеспечить производительность

процессора порядка 2 млн. оп/с. Такой производительностью микропроцессор

будет обладать при использовании тактовой частоты 30 МГц. Таким образом

частота кварцевого резонатора определена и равна 30 МГц. Схема внутреннего

генератора требует также подключения двух внешних емкостей C3 и C4 по 20

пФ. Такие значения являются типовыми и рекомендуются в литературе, поэтому

их расчёт не производится.

В качестве устройства гарантированного сброса и контроля питания

используем стандартную микросхему выполняющую эти функции. Такой элемент

изготавливается многими фирмами-производителями.

3. Электрический расчёт

3.1. Краткие сведения о вторичных источниках питания

Современные устройства требуют бесперебойного, наёдежного

электроснабжения. Для преобразования электрической энергии, получаемой от

источников электроснабжения, её регулирования, стабилизации,

резервирования, распределения и защиты на практике оборудуются

электропитающие установки. Электропитающие установки вырабатывают

электрическую энергию постоянного тока с номинальными напряжениями 60 и 24

В.

Снижение массы и габаритов вторичных источников электропитания в

настоящее время является одной из наиболее важных проблем при разработке

современных радиотехнических устройств. Основными направлениями улучшения

массогабаритных и технико-экономических показателей устройств

электропитания являются:

использование новейших электротехнических материалов и перспективной

элементной базы с применением интегрально-гибридной технологии;

поиски новых эффективных схемотехнических решений;

повышение частоты преобразования электрической энергии.

Повышение надежности, улучшение технико-экономических показателей,

снижение стоимости аппаратуры в значительной степени зависят от правильного

выбора и проектирования вторичных источников и систем электропитания в

целом.

Широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре получили

вторичные источники электропитания с импульсным регулированием. Это

объясняется, в первую очередь высокими энергетическими и объёмно-массовыми

показателями. Коэффициент полезного действия таких источников может

достигать 70-75% при входном напряжении 5В, при этом их удельная мощность

составит 120…250 Вт/дм3 . Они строятся в основном на базе однотактных и

двухтактных транзисторных преобразователях напряжения. Транзисторы в

преобразователях работают в режиме переключения: это и объясняет высокие

энергетические показатели источников с импульсным регулированием.

Применение современной базы позволяет осуществлять преобразование

энергии на частотах до нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше.

Работа устройств на повышенных частотах позволяет уменьшить объём и

массу электромагнитных элементов и ёмкость конденсаторов, и тем самым

повысить удельные объёмно-массовые показатели.

В импульсных источниках применяются три способа регулирования:

16. широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутации постоянен, а

время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;

17. частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммутации непостоянен, а

время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки)постоянно;

18. двухпозиционный (релейный), при котором и период, и относительное время

отсечки, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки),

изменяются.

Однотактные и двухтактные преобразователи подразделяются на

регулируемые и нерегулируемые.

В зависимости от типа преобразователя вход и выход его могут быть

гальванически связаны или развязаны через трансформатор.

Однотактные преобразователи с гальванической связью входа и выхода

находят широкое применение в качестве импульсных стабилизаторов или

регуляторов напряжения и тока.

Однотактные и двухтактные регулируемые преобразователи с

трансформаторным выходом применяются как самостоятельные источники

вторичного электропитания.

Поэтому рассчитаем источник вторичного питания для питания

разрабатываемого устройства.

3.2. Расчёт силовой части импульсного преобразователя

Выберем в качестве расчёта преобразователя однотактный регулируемый

преобразователь с трансформаторным разделением входной и выходной цепей.

Однотактные регулируемые преобразователи находят широкое применение в

источниках электропитания аппаратуры на выходные мощности от единиц до

нескольких сотен ватт. Их широкое применение обусловлено такими

достоинствами, как отсутствие схем симметрирования работы трансформатора,

малое число силовых ключей, простота схемы управления. На рис. 5 изображена

схема однотактного преобразователя с прямым включением диода VD2 и

размагничивающей обмоткой.

[pic]

Рисунок 5 Схема однотактного преобразователя с прямым включением диода и

размагничивающей обмоткой

3.2.1. Принцип действия преобразователя

Когда транзистор VT1 открыт, напряжение Uвх оказывается приложенным к

первичной обмотке трансформатора (1. Диод VD2—открыт и энергия источника

питания передается в нагрузку и запасается дросселем L. В интервале

закрытого состояния транзистора энергия, накопленная дросселем, передается

в нагрузку, а энергия, запасенная трансформатором через размагничивающую

обмотку (р и диод VDP, отдается в источник питания. Поскольку в

установившемся режиме работы энергия, запасённая трансформатором на

интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью

рекуперирована в источник питания, то максимальное значение (max зависит от

соотношения чисел витков обмоток (1 и (р . Чем шире пределы регулирования,

тем больше значение (max и тем меньше число витков размагничивающей

обмотки. Уменьшение числа витков размагничивающей обмотки приводит к

увеличению напряжения на закрытом транзисторе преобразователя

[pic] (3.1)

Так, при (max = 0,5 напряжение на закрытом транзисторе превышает

входное напряжение в 2 раза, а при (max = 0,9 — в 10 раз. Регулировочная

характеристика преобразователя имеет линейный характер:

[pic] (3.2)

где:

(21 = (2/(1 — коэффициент трансформации.

Это выражение справедливо при условии безразрывности тока дросселя,

которое имеет место при L >Lкр, где

[pic] (3.3)

fП – частота преобразования.

3.2.2. Расчёт преобразователя

Исходные данные:

номинальное значение входного напряжения UВХ В; 24

относительные отклонения входного напряжения в сторону повышения и

понижения аmax, аmiп, 0,1

номинальное значение выходного напряжения, UВЫХ В; 5

амплитуда пульсации выходного напряжения UВЫХ m В; 0,01

максимальное значения тока нагрузки Iн max, А; 1

минимальное значения тока нагрузки Iн min, А; 0,5

частота преобразования, fП , Гц; 20 х

103

максимальная температура окружающей среды ТС mах (C; 50

1. Определяем максимальное и минимальное значения входного напряжения.

[pic]

[pic]

Принимаем (min = 0,2. Тогда

[pic]

Округляем его значение до целого числа [pic];

[pic]

[pic]

[pic]

2. Определяем LКР

[pic]

Производим расчёт дросселя или выбираем унифицированный, принимая

L > LКР = 0,5 мГн

Определяем приращение тока дросселя

[pic]

3. Находим значение емкостей [pic] и [pic]. При определении [pic] задаёмся

значением (UВЫБР = 0,1 UВЫХ = 0,5 В

[pic];

[pic]

Ёмкость конденсатора Сн принимаем равной максимальному значению [pic]

или [pic]. Выбираем конденсатор типа К50-35 на номинальную ёмкость 220 мкФ

и номинальное напряжение 25 В. Сн = 220 мкФ.

4. Определяем:

[pic]

Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе

[pic]

Максимальный ток

[pic]

Выбираем транзистор КТ903А, имеющий следующие параметры:

[pic]; [pic]; [pic];

[pic]; [pic] [pic]

[pic]

Принимаем коэффициент насыщения транзистора [pic]

Определяем мощность, рассеиваемую на транзисторе, и решаем вопрос о

необходимости установки транзистора на радиатор.

[pic]

[pic]

5. Определяем значения токов и напряжений диодов VD1, VD2, VDp.

[pic]

[pic]

По напряжению, току и частоте преобразования fП выбираем из

справочников тип соответствующего диода. Выбираем диод КД213В, максимальное

обратное напряжение – 100 В, максимальный постоянный прямой ток – 3 А при

ТК = + 125(С, UПР = 1 В.

Определяем мощности, рассеиваемые на нём

[pic]

Определяем максимальное напряжение на рекуперационном диоде

[pic];

[pic].

Максимальное значение тока рекуперационного диода VDp определяется

после расчета трансформатора, в результате которого находится максимальное

значение намагничивающего тока IVD1 max.

6. Определяем токи первичной и вторичной обмоток трансформатора Т1

[pic]

[pic]

7. Определяем коэффициент передачи схемы управления по заданному значению

коэффициента стабилизации:

[pic]

[pic]

Таким образом произведён расчёт силовой части импульсного

преобразователя напряжения.

4. Конструктивный расчёт

4.1. Конструкция печатной платы

В предыдущем разделе была разработана принципиальная схема устройства

вычислителя корректирующей информации. В этой главе необходимо разработать

Страницы: 1, 2, 3, 4