CC BY
48
ЛИТЕРАТУРА
1. Панич, А.Е. Пьезокерамические актюаторы: учебное пособие / А.Е. Панич. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2008. - 159 с.
2. Бардин, В.А. Состояние и задачи в области создания пьезоактюаторов и пьезодвигателей / В.А. Бардин, В.А. Васильев, П.С. Чернов // Материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC-2 014». - 2014. - Ч. 4. - С. 90 - 93.
3. Официальный сайт компании Cedrat Technologies [Электронный ресурс], - http://www.cedrat-technologies.com/.
4. Кочегаров, И.И. Алгоритм прямого перебора с применением теории графов для прогнозирования отказов сложных РЭС / И.И. Кочегаров, В.В. Стюхин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 130-131.
5. Меркульев, А.Ю. Программные комплексы и системы проектирования печатных плат / А.Ю. Меркульев, Ю.А. Сивагина, И.И. Кочегаров, В.Я. Баннов, Н.К. Юрков // Современные информационные технологии. 2014. № 19. С. 119-128.
6. Кочегаров, И.И. Развитие систем изучения микроконтроллеров и ПЛИС / И.И. Кочегаров, В.А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 166-167.
7. Grishko, A.K. Dynamic analysis and optimization of parameter control of radio systems in conditions of interference / Grishko A.K., Goryachev N.V., Kochegarov I.I., Yurkov N.K. // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 - Proceedings 2016. С. 7491674.
УДК 534
Аксенов И.В., Князьков А.В., Чайковский В.М,
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В ТЕЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО РАЗРЯДА
Разработано звуковоспроизводящее устройство на основе объемных пульсаций в теле высокочастотного электродугового разряда. Устройство позволяет генерировать высокочастотные акустические колебания с минимальными искажениями, может быть использовано в качестве громкоговорителя самой верхней части звукового диапазона, а также в нижней части ультразвукового диапазона в составе многополосных акустических систем Ключевые слова:
ШИМ, твитер, звук, плазменный громкоговоритель
В настоящее время в составе многополосных акустических систем, для акустического воспроизведения электрического музыкального звучания, в области звукового, воспринимаемого человеческим ухом диапазоне, используется в основном электродинамический громкоговоритель. Однако, конструктивные требование к таким излучателям акустических колебаний противоречивы, т.к. включают в себя требования легкости, с одновременным обеспечением достаточной жесткости всей конструкции, особенно это касается подвижного излучателя, а именно:
-сохранение минимальной массы подвижной части излучателя и гибкости её подвеса.
-обеспечение способности противостояния деформациям на изгиб тела диффузора при совершении им преобразования своих механических колебаний в акустические.
-обеспечение высокого значения магнитной индукции в зазоре, образуемом между полюсами постоянного магнита излучателя и подвижной катушкой диффузора.
Вследствие указанных причин высококачественное преобразование электрических сигналов в акустические колебания и излучения их в окружающее пространство является весьма затруднительным.
В данной работе предлагается один из подходов к разработке альтернативного звуковоспроизводящего устройства на основе объемных пульсаций е теле высокочастотного электродугового разряда.
Суть данного подхода заключается в том, что формирование звука осуществляется высокочастотным разрядом, ток которого модулируется полезным, музыкальным сигналом, что приводит к возникновению объемных пульсаций в теле разряда,
которые в свою очередь вызывают акустические колебания воздуха, окружающего разряд.
Отличительной особенностью данного предложения является то, что плазменные громкоговорители не вносят в звук механических искажений в виде дребезжания, не подвергаются различным акустическим резонансам, в результате чего они обладают достаточно качественным звучанием, недостижимым для других типов громкоговорителей, особенно при воспроизведении сигналов высокочастотной области звукового диапазона.
Последнее обусловлено тем, что у предлагаемого подхода к получению акустического сигнала, фактически нет диффузора, а масса подвижной системы, выполняющей роль диффузора, определяется массой воздушного объема, занимаемого разрядом.
Следует отметить, что данный подход является одним из вариантов реализации плазменного громкоговорителя, в котором большая часть его энергии расходуется на поддержание и свечение дугового разряда.
Последнее предлагается получать путем использования строчного трансформатора, запитываемого усилителем класса D, характеризующимся повышенной мощностью выходного каскада. Практика схемотехнической реализации усилителя данного класса достаточно хорошо отработана [1].
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рис. 1.
Его "акустической нагрузкой" является повышающий трансформатор (в макете использовался строчный). Между электродами выходной (вторичной) обмотки которого, формирующей напряжение по уровню более 15 кВольт, образуется электродуговой разряд, сопровождающийся акустическим звучанием.
Электродуговой разряд
Рисунок 1 - Структурная схема звуковоспроизводящего устройства
Работа устройства происходит следующим образом. Сигнал вида ШИМ формируется аналоговым компаратором, на один из входов которого подаётся опорный сигнал пилообразной формы, выполняющий роль модулирующего выходной сигнал данного компаратора, а на другой - гармонический сигнал ивх^) (Рис. 1) в виде музыкального сообщения, подлежащего в дальнейшем акустическому воспроизведению.
При этом частота повторения напряжения пилообразной формы, формируемого генератором осцил-ляторного типа, располагающегося внутри микросхемы, определяет частоту повторения выходного напряжения компаратора, которое будет представлять собой импульсное напряжение вида ШИМ.
Во время той части периода пилообразного напряжения, когда уровень сигнала, содержащего музыкальное сообщение, превышает уровень пилообразного напряжения, на выходе компаратора формируется напряжение отрицательного уровня, а во время оставшейся части периода, когда уровень сигнала музыкального сообщения ниже - будет формироваться выходное напряжение положительного уровня.
В качестве ШИМ контроллера предлагается использовать импортную микросхему ТЬ4 94, имеющую отечественный аналог 1114ЕУ4.
Микросхема ТЬ4 94 является ШИМ-контроллером импульсного источника питания, который работает на фиксированном значении частоты, и включает в себя все необходимые для этого блоки. При этом значение частоты генерируемого пилообразного напряжения задается значениями резисторов Я1, Я3
и конденсатора СЗ (Рис.2)
Изменение значения
частоты повторения пилообразного напряжения осуществляется с помощью переменного резистора (тип В), обладающего линейным характером зависимости. Значение частоты повторения встроенного генератора пилообразного напряжения может быть определено по формуле: f = К/Я*С, где К - коэффициент пропорциональности, который согласно РТМ на микросхему ТЬ494 , имеет значение равное 1,1.
Эффект модуляции длительности импульсов выходного напряжения достигается сравнением пилообразного напряжения положительного уровня, получаемого на конденсаторе С3, с управляющим сигналом. Смена логического уровня на выходе элемента ИЛИ-НЕ переводит выходной транзистор микросхемы, работающий в ключевом режиме, из одного рабочего состояния (открыт/закрыт) в другое, причем это происходит только тогда, когда выход тактирования встроенного триггера будет пребывать в "нулевом" логическом состоянии. Последнее происходит только в течение такого интервала времени, в течение, когда значение амплитуды пилообразного напряжения превышает уровень амплитуды управляющих сигналов. В силу сказанного, повышение значения амплитуды управляющих сигналов приводит к соответствующему линейному уменьшение длительности импульсов выходного напряжения компаратора. ШИМ-компаратор изменяет длительность импульсов выходного напряжения от максимального значения, определяемого напряжением на выводе 04 микросхемы ТЬ4 94, и отвечающей за регулировку значения "мертвого" времени, доводя данную длительность импульса до нуля с помощью переменного резистора Я2, имеющего, как и рези-сторИ.! линейный характер зависимости (Рис.2).
Рисунок 2 - Принципиальная схема звуковоспроизводящего устройства
Далее выходной сигнал микросхемы ТЬ4 94, формируемый на её выходе Е1 (09) и, представляющий собой высокочастотный импульсный сигнал ШИМ вида, поступает на затвор п-канального МДП транзистора УТ1, работающего в ключевом режиме. В силу того, что последний коммутирует очень сильно точную цепь на его внутреннем сопротивлении выделяется значительное тепло, поэтому данный транзистор должен быть снабжен радиатором [2].
Дополнительно между стоком и истоком данного транзистора включен быстродействующий диод УЮ1, обеспечивающий защиту транзистора от действия ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент смены направления изменения пилообразного напряжения. Сток транзистора УТ1 подключен к одному полюсу первичной обмотки строчного трансформатора, которая содержит 10 витков провода диаметром 1.2мм, другим полюсом катушка подключена к шине питания.
1,2 - Выходные электроды 3- Электродуговой разряд, воспро-изводящий аудио звучание Рисунок 3 - Электродуговой разряд между выходных электродов.
На вторичной обмотке данного строчного трансформатора формируется потенциал уровня порядка 10 - 15кВ, при этом происходит пробой воздушного зазора между двумя электродами и формируется электродуговой разряд, имеющий акустическое сопровождение. В результате можно наблюдать акустическое звучание гармонического музыкального сигнала, подаваемого на вход 04 микросхемы ТЬ494(Рис.3)
В заключение следует отметить, что предложенная реализация звуковоспроизводящего устройства обладает достаточно высоким качеством звучания на частотах звукового диапазона в области 1020кГц, однако данному методу формирования акустического звука присущи следующие недостатки -
это достаточно слабая громкость звучание и низкое значение КПД.
Данные недостатки могут быть устранены, если в аналогичном устройстве будет использован амплитудно-импульсный метод модуляции музыкального сигнала, либо использован высокочастотный шум. Это позволит сформировать более устойчивую и широкую дугу разряда, имеющую увеличенный объем атмосферных пульсаций, что приведет к значительному повышению уровня акустического звучания. Однако, рассмотрение подобного, требующее достаточно полной проработки, выходит за рамки данной работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лившиц И. И., Транзисторные усилители в режиме D, Энергия, 1973.
2. Панфилов С.А., Эффективное охлаждение новых высокомощных силовых полупроводниковых приборов, Известия высших учебных заведений. Поволжский Регион. Технические науки, №4, 2012.
3. Цыкин Г. С., Электронные усилители, Связьиздат, 1963.
УДК 623.746.519
Жестков А.Е., Князьков А.В., Чайковский В.М,
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ АЭРОПОННЫМ МЕТОДОМ
Предлагается система, предназначенная для автоматизированного процесса выращивания растений в воздушной среде без использования почвы.
Ключевые слова:
автоматизированная система, аэропоника, микроконтроллер, датчик
В настоящее время существует проблема выращивания сельскохозяйственной продукции в районах с дефицитом пригодных для этого земель, в регионах с недостатком пресной воды, особенно в зонах, так называемого, рискованного земледелия. Кроме того, большая часть плодородных земель уже задействована в сельскохозяйственном обороте, причем достаточно значительная часть её в процессе использования повреждена и значительно истощена. В связи с этим достаточно остро стоит вопрос развития сельского хозяйства в условиях городской среды с резким повышением его эффективности, заключающейся в увеличении различной товарной продукции получаемой с каждого квадратного метра задействованной территории земли. Данные проблемы требуют поиска решений, связанных с использованием тех или иных способов беспочвенного выращивания растений. Одним из таких способов является метод аэропонного выращивания растений.
Аэропоника - это процесс выращивания растений без использования почвы, в котором питательные вещества доставляются к корням растений путем распыления водного раствора в виде аэрозоля [1]. Данный метод не предполагает использование почвенного субстрата, как в гидропонной системе, что делает системы аэропонного выращивания намного проще. Суть данного подхода заключается в том, что культивируемое растение фиксируется опорной системой, а его корневая система просто висит в воздухе и орошается питательным раствором. Причем распыление данного аэрозоля происходит в конкретные, определенные в соответствии с культурой агротехники, моменты времени, не допуская пересыхания корневой системы. Следует отметить, что данный подход является одним из основных его преимуществ по сравнению с гидропоникой, где требуется постоянная циркуляция питательного раствора, что ведет к значительному увеличению энергопотребления. Листья и ствол растения изолированы от камеры распыления, в которой находится корневая система растения, в результате чего данная среда не подвергается воздействию паразитов и болезней, связанных с почвой, а это приводит к отказу от применения ядохимикатов. Культуры, возделанные на основе аэро-поники, отличаются высокой скоростью роста, что приводит к повышению продуктивности единицы используемой площади поверхности. При этом резко уменьшается время вегетации растений, что позволяет собирать урожай несколько раз в год.
Предлагаемая система автоматизирует процесс выращивания растений на аэропонике. На рисунке 1 приведена её структурная схема, которая содержит следующие блоки: ДГ - датчик концентрации СО2, ДТ1 - датчик температуры окружающей среды, ДТ2 - датчик температуры питательного раствора, ДО - датчик освещения, МК - микроконтроллер, ЧРВ - часы реального времени, УВИ - устройство вывода информации, К - ключ, Н - насос, регуляторы ШИМ1-3, СК - светодиод красного свечения, СБ -светодиод белого свечения, СС - светодиод синего свечения.
Рисунок 1 - Структурная схема системы автоматизированного выращивания растений
Система работает следующим образом: информацию о значениях температуры окружающей среды, раствора и освещенности фиксируют датчики ДТ1, ДТ2, ДО и соответственно передают микроконтроллеру МК.
В качестве датчика ДТ1 используется комбинированный DHT22 [2], состоящий из термистора емкостного датчика влажности. Кроме того, датчик содержит в себе АЦП для преобразования в цифровой код аналоговых значений влажности и температур. С помощью него можно определять температуру в диапазоне от -25 до +80 градусов с погрешностью до 0,5% и соответственно значение влажности, изменяющуюся в диапазоне от 0 до 100%, с погрешностью 2-5%, при этом частота опроса датчиков составляет 0,5 Гц.
Измерение температуры питающего раствора осуществляется при помощи датчика ДТ2 типа DS18B20 [3], представляющего собой цифровой датчик температуры с программируемым разрешением, от 9 до 12-Ь^, которое может сохраняться в ЕЕРЯОИ памяти устройства. ДТ2 обменивается с МК данными по 1-'^ге шине. Выбор данного датчика обусловлен
