Курсовая работа Разработка последовательности ремонта приёмной системы рамочных антенн для НЧ-диапазонов. 1 Общая часть
 Скачать 405.51 Kb.
|
ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследования заключается в том, что данная разработка не выпускается серийно и разработка инструкции позволит осуществлять ремонтные работы над данным устройством для того, чтобы продлить срок эксплуатации Целью исследования данного проекта являет разработка последовательности ремонта приёмной системы рамочных антенн для НЧ-диапазонов. Проблема исследования в том, что именно поэтому необходимо разработать последовательность ремонта и диагностики данного устройства. Объект исследования – Предмет исследования – система управление – передача управляющего воздействия (сигнала) от оператора к объекту управления, находящемуся на расстоянии, из-за невозможности передать сигнал напрямую, если объект движется, находится на значительном расстоянии или в агрессивной среде и т. п. Задачи исследования: – разработать электрическую принципиальную схему устройства автоматической подсветки лестницы; – выполнить сборочный чертёж, чертёж принципиальной электрической схемы устройства; – выполнить расчёт элементов узла устройства; – выполнить расчёт надёжности устройства; – составить инструкцию по ремонту изделия; – составить инструкцию по технике безопасности при проведении ремонтных работ устройства автоматической подсветки лестницы; Метод исследования – аналитический метод. Теоретическая и практическая значимость исследования. Результаты исследования позволят осуществить ремонт приёмной системы рамочных антенн для НЧ-диапазонов. Структура проекта соответствует логике исследования и включает в себя: титульный лист; лист задания; содержание; введение; анализ принципа действия; анализ элементной базы; схему электрическую принципиальною; расчёт элементов узла; расчёт надёжности; инструкции по технике безопасности и охране труда; инструкцию по диагностике; заключение; список литературы. 1 Общая часть 1.1 Анализ принципа действия устройства В последние десятилетия приём радиосигналов в любительских диапазонах 160 и 80 метров представляется большой проблемой. Эта проблема существует не только в условиях городской застройки, но и в частном секторе городов и деревень. Факторы, мешающие приёму дальних станций в диапазоне 80 метров и, особенно, в диапазоне 160 метров, радиолюбителям известны. Прежде всего, это практически повсеместное применение импульсных источников питания различных систем и освещения, эксплуатация специализированного электронного оборудования, работающего и излучающего в широкой полосе частот по новым технологиям передачи данных, а также насыщение домов и квартир бытовой техникой с передачей данных по сетям Порой радиолюбителю, применяющему по старинке метод пеленгации с мощью рамочной антенны и приёмника с СВ/КВ-диапазонами, удаётся обнаружить источник помехи в своём доме, в квартире или на садовом участке и найти способы устранить или хотя бы снизить его воздействие. Но с современными широкополосными источниками помех, когда они излучаются протяжёнными линиями электропередач и кабелями передачи данных, поиск усложняется, и найти направление на помеху становится затруднительно. Большую работу по описанию, анализу методов поиска и подавления помех представил на страницах своего сайта Игорь Гончаренко (DL2KQ). В частности, одна из его статей раскрывает связь размеров антенны, её ближней зоны и возможности увеличения соотношения полезного сигнала и помехи. Тем не менее, даже если источник не найден, можно существенно ослабить воздействие помехи с помощью отдельных приёмных антенн определённого типа для НЧ-диапазонов. Например, применение метода компонентной селекции сигнала с использованием приёмных антенн с кардиоидной диаграммой направленности стало часто практикуемым и действенным способом увеличения соотношения сигнал/шум приёмной системы любительской радиостанции. Кардиоидную диаграмму направленности антенны можно получить несколькими способами. Если у радиолюбителя нет большого земельного участка для размещения антенн бегущей волны или фазированной решётки вертикальных излучателей, необходимость иметь направленную антенну небольших размеров, даже ценой отрицательного усиления, заставляет обратить внимание на давно известные рамочные антенны. В статье "Двунаправленные антенны "Флаг" и "Вымпел" подробно описаны принципы работы и преимущества рамочных антенн, нагруженных активным сопротивлением для получения острого минимума в кардиоидной диаграмме. В 2016 г. для выполнения условий диплома DXCC на диапазоне 160 метров, опять же по совету DL2KQ, мной была изготовлена подобная антенна с переключением диаграммы в двух направлениях. Двухпроводная линия питания антенны позволяла "переносить" нагрузку из одной стороны рамки (флага) в другую и тем самым изменять диаграмму направленности антенны на 180 градусов. По прошествии примерно года антенна была усовершенствована. На одной общей мачте была смонтирована система из двух идентичных рамочных антенн, расположенных ортогонально, т. е. под углом 90 градусов друг к другу. Это позволило более точно выбирать азимут на корреспондента и эффективно отстраиваться от помех. Так как рамки (флаги) расположены ортогонально, то переключение нагрузки в соответствующую двухпроводную линию позволяет выбирать направление максимума и минимума диаграммы направленности антенны в четырёх направлениях. Приемлемые размеры рамок - 3,5х4,5 м, они определились по предполагаемому месту установки антенны, после чего было проведено компьютерное моделирование характеристик антенны с помощью программы MMANA и определено оптимальное сопротивление нагрузки антенны, которое оказалось равным 800 ... 820 Ом. Рамки (флаги) антенны изготовлены из одножильного медного провода диаметром не менее 1,5 мм по чертежу. Полотно рамок подвешено на диагональных элементах (распорках) длиной 5,7 м, изготовленных по чертежу из пластиковых труб диаметром 18 и 14 мм с толщиной стенок 2 мм. Распорки двухпроводных линий - пластиковые тонкостенные трубы диаметром 10 ... 12 мм. Пластина, к которой закреплены концы рамок, - стеклотекстолит размерами 150х150х1 ,5 мм. Диагональные элементы (распорки) закреплены с помощью металлических червячных хомутов к стальным крестовинам произвольной конструкции, сваренным из прямоугольного профиля. Крестовины, в свою очередь, крепятся к мачте - стальной трубе диаметром 40 ... 50 мм и высотой 3 .. .4 м. Полотна ортогональных рамок разнесены по высоте на 10 ... 15 см относительно друг 1 друга и гальванически не связаны. Там же на мачте в герметичном пластиковом водонепроницаемом корпусе установлены антенный усилитель и коммутатор рамок. С входом усилителя рамки соединены короткими отрезками одножильного медного провода. Как и любая приёмная антенна с малыми габаритами относительно длины волны, эта антенна имеет отрицательное усиление (-40 дБ) и требует дополнительного усилителя сигнала. До конструирования этой антенны я проводил эксперименты с резонансными и апериодическими магнитными рамками, малогабаритными дипольными, в которых применял усилители на транзисторах с общей базой (для снижения входного сопротивления усилителя) или на операционных усилителях с малыми шумами (AD8021, AD8022, ОРАххх). Для данной конструкции подходит операционный усилитель AD8129 фирмы Analog Devices. В 2016 г. был изготовлен усилитель с возможностью коммутации по ВЧ-фидеру одной двунаправленной рамки, а в 2017 г. разработан усилитель с коммутацией рамок в четырёх направлениях. Реле К1 и К2 переключают направление излучения рамок "вперед/назад". Реле К3 и К4 переключают ортогональные рамки. Резистор R1 служит переключаемой нагрузкой. На входе усилителя установлен сменный опционный фильтр - узел А 1. Измерения, проведённые QTH в вечернее время на закате солнца с помощью логарифмического детектора, подключённого к выходу усилителя без установки опционного фильтра, показали, что операционный усилитель близок к перегрузке. Уровень выходной мощности в диапазоне 1 ... 30 МГц равен -2 ... -3 дБм, а в диапазоне 40 и 30 метров наблюдались продукты интермодуляции от радиовещательных станций Азии. В утренние часы и ночью выходной уровень не превышал -15 дБм. После установки в усилитель опционного фильтра выходной уровень снизился до -18 ... -20 дБм. В вечернее время в частотном диапазоне выше 5 МГц может возникнуть перегрузка усилителя из-за максимума сигналов, где коэффициент усиления рамочной антенны начинает существенно расти. Фильтры, в зависимости от выбранного типа, значительно ослабляют уровни сигналов выше 5 или 3 МГц, а также сигналы радиовещательных станций средневолнового диапазона. Это может быть актуально для радиолюбителей, живущих в Европе или Калининградской области. В районах центральной России в вечернее время переключение направления рамки на западное увеличивает уровень сигнала во всём средневолновом диапазоне на 20 дБ (измерено с помощью анализатора спектра). Особенность этой конструкции в том, что усилитель питается от источника с переключением полярности напряжения, и оплётка кабеля, по которой подаётся питание, не соединена напрямую с общим проводом платы усилителя. Вот почему нельзя размещать плату усилителя в металлическом корпусе и соединять с корпусом общий провод платы усилителя с помощью металлических стоек. Микросхемы DA3 и DA4 формируют стабилизированное двухполярное напряжение 9 В для питания операционного усилителя DA2. На микросхеме DA 1, параллельном стабилизаторе TL431, выполнен компаратор. Он управляет включением реле К1 и К2, отвечающих за переключение нагрузки (резистора R1) внутри флага и, соответственно, за выбор направления. Реле КЗ и К4, отвечающие за переключение рамок, включаются при изменении полярности напряжения питания через диод VD5. К выходу микросхемы DA2 через резистор R7 подключён широкополосный трансформатор Т1 с объёмным витком, который обеспечивает развязку усилителя с фидером более 60 дБ при заземлённом экране трансформатора. Питание на усилитель поступает по сигнальному коаксиальному кабелю от блока управления, в функции которого входят обеспечение необходимых напряжений питания, развязка питания и ВЧ-сигнала, защита усилителя в режиме передачи сигнала с трансивера, переключение рамок антенны и направления излучения внутри рамки. Переключение направления в каждой подключаемой рамке осуществляется выбором уровня напряжения, подаваемого с блока управления на усилитель, а сменой полярности напряжения осуществляется переключение ортогональных рамок. Питается блок управления от сети переменного тока напряжением 220 В. Трансформатор Т2 - унифицированный ТП 121-14 с тремя вторичными обмотками. Обмотка с выходным напряжением 21 В (ток под нагрузкой 180 мА) служит для питания усилителя, а две обмотки с напряжением по 2 В соединены последовательно и служат для формирования питания цепи управления защитой (РТТ). Линейный стабилизатор на транзисторе VТ1, стабилитронах VD16, VD19 и светодиодах HL2 и НLЗ формирует два переключаемых выходных напряжения 20 ... 22 В и 25 ... 27 В. Выбором с помощью переключателя SA2 одного из этих значений осуществляется переключение направления излучения рамок. Переключателем SАЗ изменяется полярность напряжения на выходе блока управления. Дроссель L5 и конденсатор С35 обеспечивают развязку между ВЧ-сигналом, поступающим с усилителя на вход трансивера, и источником питания. Диоды VD21-VD24 и лампа EL2 защищают выход усилителя в случае появления сигнала большого уровня с выхода усилителя мощности трансивера. Аналогичная цепь, состоящая из EL 1 и VD10-VD13, установлена непосредственно на выходе усилителя. Узлы А2, АЗ - опциональные, они могут не устанавливаться. Широкополосный трансформатор с объёмным витком Т1 - от радиоприёмника Р-155 (применялись в смесителях и синтезаторе приёмника). Трансформатор следует разобрать и перемотать его обмотки проводом МГТФ О, 1 ... 0,2 мм. В зависимости от материала оригинальных магнитопроводов число витков может колебаться от 9 до 12. После переделки трансформатора потери передачи сигнала не превышают 0,7 дБ на диапазонах 80 и 160 метров. Несмотря на хорошую развязку фидера и усилителя, также необходимо с помощью ВЧ-дросселя свести к минимуму влияние фидера и наводок из шэка, доставляемых оплёткой фидера к приёмной антенне. Это может быть 15 ... 20 витков фидера, намотанного на кольцевом ферритовом магнитопроводе большого диаметра и расположенного в одном метре снижаемой части от усилителя. Полезным может быть размещение такого дросселя внутри корпуса усилителя, где кабель, идущий от платы, наматывается внутри подходящего по размерам кольца с магнитной проницаемостью 2000-4000. От антенны до шэка фидер желательно вести по земле или крыше, если антенна установлена на многоэтажном доме. Усилитель и блок управления смонтированы на печатных платах размерами 45х145 мм из двухстороннего стеклотекстолита. Платы с опционными фильтрами (их размеры 30х35 мм) устанавливают на плату усилителя через стандартные однорядные цанговые панельки (например, типа SCSL) с шагом 2,54 мм. Все резисторы в устройстве для поверхностного монтажа типоразмеров 0805 и 1206. Оксидные конденсаторы - К50-35 или аналогичные импортные. Постоянные конденсаторы - керамические, например, КМ, К10-17 или аналогичные импортные. Все реле в конструкции - TAKAMISAWA RY12W-K или HRS2H-S-DC12V-N. Светодиоды диаметром 3 мм: HL 1 - жёлтый GNL-3014YD, HL2 - синий GNL3014UBD-TL, НLЗ - красный GNL-3014HT, HL4 - жёлтый GNL-3014YD, HL5 - зелёный GNL-3014GD. Лампы EL 1, EL2 на номинальное напряжение 12 В и ток 30 мА (сопротивление нити лампы в холодном состоянии 30 ... 35 Ом). Внутри корпуса усилителя следует поместить 2-3 мешочка с силикагелем. Плату блока управления необходимо разместить в хорошо проветриваемом корпусе. Трансформатор Т2 и транзистор VТ1 выделяют тепло и требуют естественного охлаждения в комнатных условиях. 2 Расчётная часть 2.1 Анализ используемой элементной базы AD8129 предназначены для использования в качестве приемников сигнала, передаваемого по витой паре при помощи драйверов. Любой из двух компонентов может применяться для работы с аналоговыми или цифровыми видеосигналами, а также высокоскоростной передачи данных. Усилители AD8129 имеют дифференциальный вход и несимметричный выход и обеспечивают очень большой КОСС на высоких частотах. Поэтому их также можно эффективно использовать в качестве быстродействующих инструментальных усилителей или преобразователей дифференциального сигнала в несимметричный.
TL431 Программируемый источник опорного напряжения
L78L09 Линейные регуляторы напряжения, 100 мА, STMicroelectronics Трехконтактные положительные стабилизаторы серии L78L включают внутреннее ограничение тока и тепловое отключение. Обеспечивая соответствующий теплоотвод, можно обеспечить выходной ток до 100 мА.
L78L18 Линейные регуляторы напряжения, 100 мА, STMicroelectronics Трехконтактные положительные стабилизаторы серии L78L включают внутреннее ограничение тока и тепловое отключение. Обеспечивая соответствующий теплоотвод, можно обеспечить выходной ток до 100 мА.
Диоды - общего назначения, управление питанием, коммутация
Кремниевый диод 1N4148 обладает следующими параметрами: прямой ток – не менее 150мА, обратное напряжение 100В и высокая скорость переключения – не более 4 нс. Эти параметры, а также дешевизна и относительно небольшой корпус DO-35 позволили стать ему одним из самых распространенных диодов. Метка в виде черного кольца нанесена со стороны катода
P6KE33CA Защитный диод двунаправленный
PC817C Оптопара транзисторная устройство, использующее оптические свойства для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала
2W10 Мосты диодные выпрямительные электрическое устройство, электрическая схема для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий
2.2 Разработка чертежа электрической принципиальной схемы Разработка принципиальной схемы приемной системыпроводилась в программе Altium Designer, в режиме Schematic с редактором компонентов. Создание самой схемы можно увидеть на рисунке 2.2.1.  Рисунок 2.2.1 – Разработка принципиальной схемы приёмной системы рамочных антенн для НЧ-диапазонов в программном обеспечении Altium Designer Altium Designer предлагает унифицированную среду проектирования, предоставляя инженерам единое представление о каждом аспекте процесса проектирования печатных плат, от схемы до компоновки печатной платы и выпуска конструкторской документации. Имея доступ ко всем инструментам проектирования в одном месте, инженеры могут завершить весь процесс проектирования в единой интуитивно понятной среде и быстро создавать высококачественные продукты. Опыт работы в единой среде проектирования С легкостью создавайте проекты печатных плат с помощью интуитивно понятного интерфейса, который легко соединит вас с каждой деталью процесса проектирования электроники от идеи до производства. Единая модель данных Скомпилируйте проекты, чтобы создать единую целостную модель, которая может занимать центральное место в процессе проектирования. Простой доступ и управление подробными данными в модели (схема, топология, моделирование) из этой центральной модели, а не сохранение отдельных данных для каждого элемента проекта. Бесшовная интеграция ECAD/ MCAD Каждое изменение проекта синхронизируется между Altium Designer и SOLIDWORKS®, PTC Creo® Parametric™, Autodesk Inventor® или Autodesk Fusion 360®. Специалисты MCAD и ECAD работают в привычных для них средах, без лишнего обмена большим количеством файлов и постоянного конвертирования моделей вручную. 2.3 Электрический расчет узла Проведем поверочный расчет транзисторного ключа КТ972А  Рисунок 2.3.1 Транзисторный ключ Исходные данные:
Определим задержку включения транзистора при  t3 вкл = 0,7rвх (2.3.1) где  - постоянная времени входной цепи.τвх = ( СК + СЭ)RБ (2.3.2) где  - ёмкость коллектора, пФ - ёмкость эмиттера, пФ - сопротивление на базе, Ом. (6 +6 ) нс нсДля определения длительности фронта включения находим эквивалентную постоянную транзистора: rЭК =rβ + RKCK(β + 1) (2.3.3) где  - постоянная времени цепи, с; - сопротивление на коллекторе,Ом; - ёмкость коллектора, Ф; - статический коэффициент передачи.τЭК = 100  10-9+1 103 6 10-12 (100+1) =707 нси степень насыщения S=  , (2.3.4)где  - ток базы, мА - статический коэффициент передачи - ток коллектора насыщения, мАIKH =EK / RK (2.3.5) где  - напряжение на коллекторе, В - сопротивление на коллекторе, кОм Перепад тока IБ определяется по формуле IБ = -IБ =  Um / RБ (2.3.6)где  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
