0 subscribers

Для разработчиков малогабаритных автономных гидроакустических маркеров (маяков)

Всем, кому интересна данная тема, кто занимался проблемой безопасности плавания под водой и поиском затонувших объектов и других предметов, находящихся на дне моря и других водоемов. Предлагается разработка автономного гидроакустического маркера (маяка), включающая электрическую схему, печатную плату под конкретное пьезоэлектрическое кольцо и подобранные электронные компоненты, работающий макет устройства, конструкцию образца и программу для используемого микроконтроллера.

Даю консультации и обеспечиваю всеми материалами заинтересованным лицам бесплатно для воплощения в реальность данного или подобного устройства.

В основу разработки известного устройства положен принцип размещения электронных компонентов внутри излучающего пьезоэлектрического кольцевого элемента и подбор их электрических параметров для работы от одного литиевого аккумулятора.

В качестве варианта построения маркера (маяка) был использован пьезоэлектрический кольцевой элемент с размерами - внешний диаметр 33 мм, внутренний диаметр 28 мм и высотой 20 мм. Рабочая частота определяется радиальным резонансом пьезоэлектрического кольца и лежит в области 31 кГц. Важной особенностью тонкостенных колец является низкая добротность и возможность работы в полосе частот, составляющих примерно 15-20 % от резонансной частоты.

Электрические характеристики сохраняются при изменении напряжения на литиевом аккумуляторе в пределах (2,2 - 3,7) В. При падении напряжения на нем до минимального значения мощный потребитель (усилитель мощности) отключается.

Для обеспечения гибкости при задании основных характеристик, а именно, длительности, периода следования и частоты заполнения импульсов маркера (маяка) используется микроконтроллер (например, типа STM32), который программным способом просто реализует эту задачу, кроме того применение микроконтроллера решает проблему защиты аккумулятора от разряда ниже допустимого уровня 2,2 В.

Включение питания производиться автоматически при погружении маркера (маяка) в водную среду, выключение также автоматическое при извлечении устройства на воздух.

Особое внимание представляет способ установки и крепления маяка на подводных объектах. С этой целью в нижнюю крышку корпуса маяка вмонтирована круглая пластина неодимового магнита, который обеспечивает жесткое сцепление с любыми металлическими конструкциями. В случае немагнитных материалов, например, для крепления на руке дайвера используется браслет, включающий подобный магнит.

Принципиальная схема маркера (маяка) приведена на рис. 1.

Основные параметры – рабочая частота, длительность импульса и частота повторения задаются контроллером на основе STM32L051. Эти параметры задаются программой, разработанной в среде Keil 5 и использовании подготовительной среды STM32CubeMX. Кроме этого, контроллер реализует функцию слежения за напряжением литиевого аккумулятора и формирует сигнал на отключение сигнала возбуждения усилителя мощности при минимальном допустимом значении 2.2 В.

На транзисторе VT1 реализован ключ, подающий напряжение питания с литиевого аккумулятора на общую схему при погружении маркера (маяка) в водную среду. Микросхема А1 является преобразователем напряжения DC-DC и вырабатывает напряжение 5 В для питания усилителя мощности. На транзисторах VT2 и VT3 собран усилитель мощности, обеспечивающий возбуждение пьезоэлектрического преобразователя. Усилитель мощности с закрытым входом, что обеспечивает надежность защиты при выходе из строя микроконтроллера. Для дополнительной защиты усилителя мощности от одновременного открытия обоих плеч транзисторов VT2 и VT3 предусмотрена программная задержка между импульсами раскачки, поступающими с микроконтроллера. Конденсаторы С6, С8 и С9 являются накопителем энергии при формировании мощного радио импульса. Предусмотрена световая индикация работы усилителя мощности на светодиоде VD6. Диод загорается во время прохождения импульсного сигнала.

Рис. 1
Рис. 1

На рис.2 – рис.4 представлены осциллограмма выходного сигнала усилителя мощности при разной скорости развертки. Длительность импульса 1 мс, период 100 мс, частота заполнения примерно 32 кГц. Сопротивление нагрузки, равное 300 Ом, соответствует сопротивлению излучения пьезоэлектрический кольцевой элемента. Выходное напряжение 40 В, выходная мощность в импульсе 5,33 Вт.

Рис. 2
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 4

На рис. 5 представлен макет передающего канала маркера (маяка). Все электронные компоненты расположены слева и занимают половину площади макетной платы. В верхней части фотографии виден аккумулятор LIR 2540 и тумблер, имитирующий включение/выключение устройства, при погружение в водную среду.

Рис. 5
Рис. 5

Нас рис. 6 показан вариант печатной платы маркера (маяка). для выбранного пьезоэлектрического кольцевого элемента размером 33 х 28 х 20 мм с подобранными электронными компонентами

Рис . 6
Рис . 6

На рис. 7 представлен вариант конструкции маркера (маяка) при использовании литиевого аккумулятора LIR 2450. Габаритные размеры устройства, диаметр и высота, соответственно равны 38 и 30 мм. Все электронные компоненты размещены внутри пьезоэлектрического кольцевого элемента. Это печатная плата передающего канала, литиевый аккумулятор, плата заряда аккумулятора и разъем для подачи питания на зарядную плату. Кольцевой элемент жестко фиксируется между верхней крышкой и промежуточным каркасом с помощью тонких пружинных 3-х стяжек, расположенных равномерно по периметру кольца, затем эта конструкция герметизируется полиуретаном. На верхней крышке размещен электрический контакт, с помощью которого в водной среде производится включение устройства. Нижняя крышка съемная и крепится к промежуточному каркасу с помощью винтов через резиновое герметизирующее кольцо. В нижней крышке снаружи крепится круглая пластина неодимового магнита. Кроме этого в ней имеется отверстие, через которое подается питании на плату заряда аккумулятора. Отверстие закрывается гайкой с уплотнительным резиновым кольцом для обеспечения герметизации в водной среде.

Здесь представлена концепция конструкции автономного маркера (маяка), которая может изменяться в зависимости от применяемых источников питания, либо литиевого аккумулятора, либо литиевой батарейки. При использовании литиевой батарейки нет необходимости использовать зарядную плату и в нижней крышке будет отсутствовать отверстие и гайка. Для увеличения продолжительности работы при использовании устройства в качестве маркера можно использовать литиевый цилиндрический элемент питания большей емкости, например, “SAFT “ LSH 26180 размером 26 х 18 мм и емкостью 1,2 А-час. При этом можно изменить форму и размер либо промежуточного каркаса, либо нижней крышки.

Рис. 7
Рис. 7

Ближайшим аналогом подхода построения автономного маркера (маяка) является изобретение, изложенное в патенте RU 2623423 “ Личная подводная спасательная и навигационная система”, владельцы Фролов Дмитрий Павлович и Фролов Павел Дмитриевич.