СХЕМА ПИТАНИЯ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для оптимального функционирования электронных частей (блоков) аэрологических радиозондов (АРЗ). Особенно рационально ее использование в АРЗ, содержащих сверхрегенеративные приемо-передатчики (СПП).
Общей задачей создания эффективных источников питания (ИП) для АРЗ является повышение кпд, снижение габаритно-массовых характеристик (ГМХ) и повышение надежности работы в течение полета радиозонда. Оптимальное построение ИП однозначно влияет на точностные характеристики электронной части АРЗ и надежность его работы. Применительно к АРЗ с СПП это особенно видно, так например, для СВЧ-генератора СПП требуется стабилизация напряжения питания и среднего тока.
Известны АРЗ типа МАРЗ и МРЗ, содержащие СПП обеспечивающий прием запросных импульсов наземной РЛС и передачу ответных импульсов для измерения наклонной дальности до радиозонда, а также одновременно передачу телеметрической информацией на РЛС сопровождения (Н.А.Зайцева «Аэрология», Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990, с.158-190).
В этих радиозондах используются химические водоактивируемые источники питания типа 28-МХМ-0.1, обеспечивающие напряжение питания 27В и 9В с отдельными выводами. Секция батареи, вырабатывающая напряжение 9В обеспечивает работу блока телеметрии радиозонда, а секция напряжения 27В обеспечивает работу СПП.
Недостатки этих источников питания (ИП) заключаются в следующем:
- сравнительно высокое напряжение 27В, развиваемое на элементах батареи, приводит к значительному саморазряду смоченной батареи за счет
токов утечки по внутренним стенкам ИП и существенному сокращению времени нормальной работы;
- возможные непредсказуемые замыкания части элементов высоковольтной части батареи (27 В) создают помехи в работе СПП;
- масса ИП увеличивается за счет дополнительного количества активного вещества для компенсации эффекта саморазряда, кпд ИП оказывается невысоким.
Известен приемо-передатчик аэрологического радиозонда, который содержит блок телеметрии, генератор суперирующих импульсов, источник питания, блок стабилизации напряжения питания, блок стабилизации тока коллектора СВЧ-автогенератора, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор, приемопередающую антенну, также СВЧ-полосовой фильтр со следующими соединениями: выход блока телеметрии соединен с входом генератора суперирующих импульсов, выход которого через инерционную цепь автосмещения связан с управляющим входом СВЧ-автогенератора, источник питания связан с блоком стабилизации напряжения питания, первый выход которого связан со входами питания блоков телеметрии и генератора суперирующего напряжения, второй выход - с входом блока стабилизации тока коллектора, выход которого соединен с управляющим входом СВЧ-автогенератора а второй вход соединен со вторым выходом СВЧ-автогенератора, третий выход СВЧ-автогенератора соединен с приемопередающей антенной радиозонда; выход СВЧ-автогенератора через СВЧ-полосовой фильтр соединен с антенной радиозонда - ПРОТОТИП, см. патент РФ №56001.
Недостатками его являются неоптимальная схема питания электронных блоков АРЗ, что влечет за собой уменьшение КПД, а, следовательно, сокращение полетного времени радиозонда, уменьшения объема передаваемой телеметрической информации, снижение надежности работы.
Технической задачей полезной модели является оптимизация схемы питания АРЗ.
Для решения этой задачи предлагается схема питания аэрологического радиозонда, содержащая датчики метеовеличин, блок телеметрии, генератор суперирующих импульсов, стабилизатор напряжения питания, стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор, приемо-передающую антенну и источник питания, который выполнен в секционированном исполнении и имеет, по крайней мере, три выходные шины питания, причем первая шина соединена с входом питания датчиков метеовеличин, вторая шина питания соединена с входом питания блока телеметрии и генератора суперирующих импульсов, а третья шина питания соединена с блоком стабилизатора напряжения питания СВЧ-автогенератора через блок стабилизатора среднего тока СВЧ-автогенератора; схема питания содержит генератор суперирующих импульсов, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор, стабилизатор напряжения питания, стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора и приемопередающюю антенну, которые образуют сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда; схема питания содержит первый, второй и третий импульсные преобразователи напряжения, четвертую шину питания, причем выход источника питания четвертой шиной питания соединен со входами этих преобразователей, а выходы первого, второго и третьего импульсных преобразователей напряжения соединены с первой, второй и третьей шинами питания соответственно; также, схема питания может быть выполнена следующим образом: вводится импульсный преобразователь напряжения, первый и второй стабилизаторы напряжения питания, развязывающий диод и штепсельный разъем, причем выход источника питания через импульсный преобразователь напряжения и штепсельный разъем соединен с первым импульсным стабилизатором напряжения питания, выход которого соединен с входом питания сверхрегенеративного приемопередатчика и через развязывающий диод соединен с входом второго импульсного стабилизатора
напряжения питания, выход последнего первой шиной питания соединен с входами питания датчиков метеовеличин и блока телеметрии; источник питания может быть выполнен, например, в виде нескольких пальчиковых элементов питания типа АА, в виде элементов питания типа «Крона» или в виде специализированной водоактивируемой батареи питания.
На Фиг.1, 2, 3 изображены структурные схемы аэрологических радиозондов с различными вариантами схем питания радиозондов, на которых показано: 1 - датчики метеовеличин; 2 - блок телеметрии; 3 - генератор суперирующих импульсов; 4 - инерционная цепь автосмещения; 5 - СВЧ-автогенератор; 6 - приемо-передающая антенна; 7 - стабилизатор среднего тока коллектора; 8 - стабилизатор напряжения питания; 9 - известный источник питания; 10 - СПП радиозонда; 11 - первый импульсный преобразователь напряжения; 12 - второй импульсный преобразователь напряжения; 13 - третий импульсный преобразователь напряжения; 14 - предлагаемый источник питания; 15 - импульсный преобразователь напряжения; 16 - первый стабилизатор напряжения питания; 17 - второй стабилизатор напряжения питания; XS1 - штепсельный разъем; VD-полупроводниковый диод.
Схема на Фиг.1 имеет следующие соединения: источник питания 9 выполнен в секционированном исполнении и имеет, по крайней мере, три выходные шины питания, причем первая шина соединена с питанием датчиков метеовеличин 1, вторая шина питания соединена с питанием блока телеметрии 2 и генератора суперирующих импульсов 3, а третья шина питания соединена с блоком стабилизатора напряжения питания 8 СВЧ-автогенератора 5 и через блок стабилизатора среднего тока 7 с СВЧ-автогенератором 5; генератор суперирующих импульсов 3, инерционная цепь автосмещения 4, СВЧ-автогенератор 5, стабилизатор напряжения питания 8, стабилизатор среднего тока 7 СВЧ - автогенератора 5 и приемопередающая антенна 6 образуют сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда 10.
Схема на Фиг.2 имеет следующие соединения: вводится первый импульсный преобразователь напряжения 11, второй импульсный преобразователь напряжения 12 и третий импульсный преобразователь напряжения 13, четвертая шина питания, причем выход источника питания 14 четвертой шиной питания соединен с входами этих преобразователей, а выходы первого, второго и третьего импульсных преобразователей напряжения соединены с первой, второй и третьей шинами питания соответственно.
Схема на Фиг.3 имеет следующие соединения: вводится импульсный преобразователь напряжения 15, первый 16 и второй 17 стабилизаторы напряжения питания соответственно, развязывающий диод VD и штепсельный разъем XS-1, причем выход источника питания 14 через импульсный преобразователь напряжения 15 и штепсельный разъем XS-1 соединен с первым стабилизатором напряжения питания 16, выход которого соединен с входом питания сверхрегенеративного приемопередатчика 10 и через развязывающий диод VD соединен с входом второго стабилизатора напряжения питания 17, выход последнего первой шиной питания соединен с входами питания датчиков метеовеличин 1 и блоком телеметрии 2.
Указанные на Фиг.1, 2, 3, узлы и блоки могут быть выполнены на основе известных технических решений и ЭРЭ:
датчики метеовеличин 1 могут быть применены типа HIН 4000, см. КАТАЛОГ фирмы Honeywell, 2005 г;
блок телеметрии 2 может быть выполнен по патенту РФ на полезную модель №53462;
генератор суперирующих импульсов 3 может быть выполнен на микросхемах типа ИМС 561КП, см. КАТАЛОГ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИМС, М.: ЦКБ, 1983, стр.78, в соответствии с патентом №50682 «Сверхрегенеративный приемопередатчик»;
инерционная цепь автосмещения 4 может быть выполнена на элементах типа С2-29В, см. РЕЗИСТОРЫ. Справочник / Андреев Ю.Н. и др. - М.:
Энергоиздат, 1981. С.102-107., а также см. материалы заявки на изобретение №2007134549/09 от 17.09.2007 г, положительное решение от 01.08.08 г.;
СВЧ-автогенератор 5 может быть выполнен в микрополосковом исполнении на транзисторах типа КТ-637А, BFG-235A по рекомендациям патента №2291467 «Сверхрегенеративный приемопередатчик»;
приемопередающая антенна 6 может быть реализована по рекомендациям патента №2214614 «Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив»;
стабилизатор среднего тока 7 может быть выполнен по патенту №67729 «Выходной каскад СВЧ-автогенератора сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда»;
стабилизатор напряжения 8 может быть применен типа LM2940IMP-18, см. КАТАЛОГ фирмы National Semiconductor, 2007г;
источник питания 9 может быть применен типа 28МХМ-0.1, либо в виде последовательно соединенных элементов типа «Крона»;
СПП 10 может быть разработан на основе патентов РФ №2172965, №2214614, патентов на полезные модели №50682, №49283, №56001;
импульсные преобразователи напряжения 11, 12, 13, 15 могут быть применены типа TPS61041DBVR, TPS61081DRCT, см. КАТАЛОГ фирмы Texas Instruments, 2007г;
Источники питания 14 могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов типа АА Energizer Litium Photo 3V, см. КАТАЛОГ фирмы Energizer Holdings, Inc., 2007г;
стабилизатор напряжения питания 16 может быть выполнен на микросхеме LM2940IMP-15, см. КАТАЛОГ фирмы National Semiconductor, 2007г;
стабилизатор напряжения питания 17 может быть выполнен на микросхеме LM2940S-5.0, см. КАТАЛОГ фирмы National Semiconductor, 2007г.
Схема питания АРЗ (Фиг.1) работает следующим образом. Источник питания 9 состоит из водоактивируемой батареи типа 28МХМ-0.1 вырабатывающей
максимальное напряжение 27В. Батарея имеет соответствующие отводы. Первая шина питания +3 - +5В соединена с шиной питания датчиков метеовеличин 1, электронная обработка данных которых может быть выполнена на микросхемах, которые работают в диапазоне питающих напряжений от +3 до +5В. Вторая шина питания +3+9В подключена к шинам питания блока телеметрии 2 и генератора суперирующих импульсов 3, элементная часть которых выполняется на транзисторах. Для обеспечения их работы требуется напряжение питания +3 - +9В. Третья шина питания +18 - +27В используется для обеспечения работы СПП 10, подключена к блоку стабилизатора напряжения питания 8 и далее к блоку стабилизатора среднего тока 7 коллектора СВЧ-автогенератора 5. Здесь повышенное напряжение требуется потому, что на стабилизаторе напряжения 8 и далее на стабилизаторе тока 7 подают определенные напряжения, а на СВЧ-генератор 5 требуется напряжение порядка +18В (питание стабилизированное по напряжению и току).
Схема питания АРЗ (Фиг.2) работает следующим образом. Источник питания 14 выполнены в виде последовательно соединенных элементов типа АА в количестве от одного до четырех штук, в зависимости от требуемого времени работы радиозонда. Выходная, четвертая шина питания источника питания 14 соединена с шинами питания импульсных преобразователей напряжения 11, 12, 13 соответственно. Первая шина питания преобразователя 11 соединена с шиной питания датчика метеовеличин 1. Вторая шина питания преобразователя 12 соединена с шинами питания блока телеметрии 2 и первой шиной питания СПП радиозонда 10. Третья шина питания преобразователя 13 соединена с второй шиной питания СПП радиозонда 10. Предложенная схема питания радиозонда на основе применения современных импульсных преобразователей напряжения позволяет обеспечить оптимальное напряжение питания узлов радиозонда выполненных на различных типах микросхем и микропроцессоров, требуемое напряжение питания которых может изменяться в
широких пределах. При этом обеспечивается высокий кпд использования энергии источника питания достигающий 85%.
Схема питания АРЗ (Фиг.3) работает следующим образом. Четвертая шина питания источника питания 14 через преобразователь напряжения 15 и штепсельный разъем XS 1 подключена к шине питания первого стабилизатора напряжения 16 выход которого - вторая шина питания подключена к шине питания СПП 10 и через развязывающий диод VD к шине питания второго стабилизатора напряжения 17, выход которого - первая шина питания подключена к шинам питания датчика метеовеличин 1 и блока телеметрии 2.
Штепсельный разъем XS1 введен для оперативного включения преобразователя напряжения 15 и радиозонда. Развязывающий диод VD введен для автономной проверки второго стабилизатора напряжения 16, блока телеметрии 2 и датчиков метеовеличин 1 без включения СПП 10 радиозонда. Для этого в стенде проверки радиозонда источник питания подключается к катоду диода VD, что обеспечивает питание стабилизатора напряжения 17.
Достоинства предложенных вариантов схем питания радиозондов заключаются в том, что в качестве источника питания 14 могут использоваться доступные на рынке, соединенные последовательно пальчиковые элементы питания типа АА, или соединенные параллельно элементы питания типа «Крона», а также специализированные низковольтные (5-6В) водоактивируемые батареи питания. Это дает возможность использовать современную элементную базу с различным рабочим напряжением питания для создания оптимальных конструкций узлов радиозонда и обеспечить высокую эффективность использования энергии источника питания радиозонда, соответственно увеличить время его работы.