РІп71.436631.001

(1)

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Радіотехнічний факультет

Кафедра радіоконструювання та виробництва радіоапаратури

До захисту допущено:

В.о.зав. кафедри

________ Євгеній НЕЛІН

«___»_____________20__ р.

Дипломний проект

на здобуття ступеня бакалавра

за освітньо-професійною програмою« Інтелектуальні технології мікросистемної радіоелектронної техніки »

за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка»

на тему: «Система бортового живлення для наносупутників формату CubeSat»

Виконав (-ла):

студент (-ка) ІІІ курсу, групи РІ-п71

Сальус Асім Мохаммедович __________

Керівник:

Ст. викл.

Адаменко Володимир Олексійович __________

Консультант з охорони праці к.б.н.,доцент

Гусєв Аркадій Миколайович ___________

Рецензент:

к.т.н.,доцент каф. РТПС

Сушко Ірина Олександрівна ____________

Засвідчую, що у цьому дипломному проекті немає запозичень з праць інших авторів без відповідних посилань.

Студент (-ка) _____________

Київ-2020 року

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(2)

2 ВІДОМІСТЬ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

№

з/п Формат

Позначення Найменування

Кількість листів Примітка

1 А4 РІп71. 436631.001 Е3 Завдання на дипломний

проект 2

2 А4 РІп71. 436631.001 Пояснювальна записка 59 3 А1 РІп71. 436631.001 Е3 Схема електрична

принципова 1

4 А2 РІп71. 436631.001 СК Друкований вузол 1 5 А2 РІп71.758755.001 Друкована плата 1 6 A1 РІп71. 436631.001 Е1 Схема електрична

структурна 1

7 8 9

РІп71.436631.001

ПІБ Підп. Дата

Розробн. Сальус А.М.

Відомість дипломного проекту

Лист Листів

Керівн. Адаменко В.О. 1 1

Консульт. КПІ ім. Ігоря

Сікорського Каф. КіВРА Гр. РІ-п71

Н/контр.

Зав.каф.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(3)

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського » Радiотехнiчний факультет

Кафедра радiоконструювання та виробництва радiоапаратури Рівень вищої освіти – перший (бакалаврський)

Спеціальність 172 “Телекомунiкацiї та радіотехніка”

Освітньо-професійна програма « Iнтелектуальнi технологiї мiкросистемної радіоелектронної техніки»

ЗАТВЕРДЖУЮ В.о.зав. кафедри

_______ Євгеній НЕЛІН

«___»_____________20__ р.

ЗАВДАННЯ

на дипломний проект студенту Сальусу Асіму Мохаммедовичу

1.Тема проекту: «Система бортового живлення для наносупутників формату CubeSat»

Керівник проекту Адаменко Володимир Олексійович, ст. викл., затверджені наказом по університету від «21»_травня 2020 р. №1126-с

2. Термін подання студентом проекту 05 червня 2020року _______________ ____

3. Вихідні дані до проекту Живлення від двох джерел (сонячних панелей та акумулятора). Забезпечення двох вихідних шин 3,3В та 5В постійної напруги.

Роз’єм для з’єднання з іншими модулями PC/104.

4. Зміст пояснювальної записки Огляд існуючих рішень; Аналіз ТЗ;

Аналіз стуктурної та принципової схеми; Вибір елементної бази; Проектування друкованої плати; Опис конструкції; Аналіз працездатності; Охорона праці.

5. Перелік графічного матеріалу (із зазначенням обов’язкових креслеників, плакатів, презентацій тощо) Структурна схема; Схема електрична принципова;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(4)

4 Кресленик друкованої плати; Складальний кресленик._____________________

____________________________________________________________________

6. Консультанти розділів проекту^

Розділ Прізвище, ініціали та посада консультанта

Підпис, дата завдання

видав завдання прийняв З охорони праці к.б.н., доцент Гусєв А М

7. Дата видачі завдання 13 квітня 2020 року

Календарний план

№

з/п Назва етапів виконання

дипломного проекту Термін виконання

етапів проекту Примітка 1 Узгодження ТЗ з керівником 13.04 – 16.04

2 Огляд ринку готової продукції 17.04 – 20.04 3 Аналіз структурної та принципової схем 21.04 – 01.05

4 Вибір елементної бази 02.05 – 07.05

5 Проектування друкованої плати 08.05 – 15.05

6 Опис конструкції 16.05 – 20.05

7 Розрахунок що підтверджує працездатн. 21.05 – 25.05

8 Охорона праці 26.05 –31.05

9 Виготовлення графічних матеріалів 01.06 – 05.06

Студент Асім САЛЬУС

Керівник Володимир АДАМЕНКО

 Якщо визначені консультанти. Консультантом не може бути зазначено керівника дипломного проекту.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(5)

АНОТАЦІЯ

У дипломному проекті розроблено систему живлення для наносупутника формату CubeSat. Пристрій забезпечує безперервне живлення усіх модулів наносупутника.

У проекті проведено аналіз відомих конструцій, враховуючи всі переваги та недоліки розглянутих рішень біло спроектовано структурну схему пристрою. На основі структурної схеми було розроблено схему електричну принципову, вибрано елементну базу, розроблено друковану плату, проаналізовано конструкцію. Проведено розрахунки, які підтверджують працездатність пристрою. У результаті розроблено комплект конструкторської документації для виготовлення системи живлення для наносупутника формату CubeSat.

Дипломний проект складається з пояснювальної записки обсягом 59 сторінок, включає 27 рисунків, 8 таблиць, 4 креслення, 27 посилань, 3 додатки.

Ключові слова: система бортового живлення, наносупутник, CubeSat.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(6)

6

ANNOTATION

In this diploma project was developed an electric power system for nanosatellite CubeSat. The device provides continuous power to all modules of the nanosatellite.

The project includes analysis of well-known constructions. Considering all the advantages and disadvantages of the reviewed constructions the structural scheme has been designed. Based on the structural scheme, the following tasks have been accomplished: development of the schematic, component selection, development of printed circuit board, analysis of the overall design. The calculations that confirms its efficiency and compliance, have been made. The result of this work is design documentation.

The diploma project includes 59 pages of the explanatory note, 27 illustrations, 8 tables, 4 drawings, 27 bibliographic titles.

Keywords: electric power system, nanosatellite, CubeSat.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(7)

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(8)

Пояснювальна записка до дипломного проекту

на тему: «Система бортового живлення для наносупутників формату CubeSat»

Київ – 2020 року

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(9)

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Лист

1

РІп71.436631.001

Разрабив Сальус А. М.

Перевірив

Н. Контр. Попсуй В. І.

Затвердив Адаменко В.О.

Система бортового живлення для наносупутників формату

CubeSat

Літ. Листів

59 КПІ ім. Ігоря 59 Сікорського, РТФ

ЗМІСТ

Вступ... 3

1 Огляд існуючих рішень ... 4

1.1 Огляд існуючих рішень ... 4

1.2 Аналіз технічного завдання ... 7

2 Обгрунтування та вибір схемотехнічного рішення і елементної бази.9 2.1 Розроблення структурної схеми ... 9

2.2 Вибір основних компонентів схеми ... 10

2.3 Схема електрична принципова ... 13

3 Проектування електронного модуля ... 15

3.1 Обґрунтування конструкції ... 15

3.2 Вибір елементної бази ... 15

3.3 Розрахунок елементів друкованого монтажу ... 25

3.4 Розрахунок параметрів друкований провідників ... 26

3.5 Опис конструкції ... 27

4 Розрахунки, що підтверджують працездатність ... 30

4.1 Розрахунок надійності ... 30

4.2 Розрахунок власних частот плати ... 32

5 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ... 34

5.1 Визначення основних потенційно шкідливих та небезпечних виробничих факторів ... 34

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(10)

Зм. Лист № докум. Подпись Д

Лист

РІп71.436631.001 2

5.2 Технічні рішення та організаційні заходи з безпеки і гігієни праці

та виробничої санітарії ... 35

5.3 Пожежна безпека ... 40

Висновки ... 42

Перелік джерел посилань ... 44

Додаток А ... 47

Додаток Б. Перелік елементів ... 52

Додаток В. Специфікація на пристрій ... 55

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(11)

Лист

РІп71.436631.001 3 ВСТУП

CubeSat — це наносупутник із стандартизованими розмірами та вагою.

Це невеликий куб розміром 10 х 10 х 10 см. Концепція забезпечує недорогий і надійний спосіб відправки корисних вантажів на орбіту і відкриває доступ до космічного простору для університетів та приватних компаній.

Різне обладнання на борту CubeSat має забезпечуватися електроенергією.

Таким чином, наносупутник потребує надійної енергосистеми, здатної впоратися із завданням забезпечення необхідної потужності для кожної підсистеми в CubeSat.

Система електропостачання спрямована на забезпечення електроенергії для CubeSat. Яка включає в себе безперервне вироблення електроенергії, накопичення енергії для постачання, коли основне вироблення електроенергії не можливе, моніторинг розподілу електроенергії і захист CubeSat в разі неочікуваної ситуації.

Метою даного дипломного проекту є розробка системи живлення наносупутника. Даний прилад використовується для забезпечення безперервного живлення модулів наносупутника формату CubeSat.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(12)

Лист

РІп71.436631.001 4 1 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ

1.1 Огляд існуючих рішень

На сьогоднішній момент існує не так багато виробників які займаються розробкою джерел живлення для CubeSat. Зазвичай вони проектуються під час розробки самого наносупутника.

Джерело живлення наносупутника від компанії EnduroSat EPS I, зображено на рис. 1.1 [1]:

Рисунок 1.1 — Джерело живлення EnduroSat EPS I Технічні характеристики:

- Вхідна напруга (з кожного каналу сонячної панелі): до 5,5 В;

- Вхідний струм ( з кожного каналу сонячної панелі): до 1,8 А;

- Шини вихідної потужності: 3,3 В, 5 В, BCR (5Вmax) та «акумулятор в сирому режимі»;

- Захищені виходи 3,3 В та 5 В;

- Вартість: 4125 $.

Проаналізуємо характеристики даного приладу. EnduroSat EPS I модулі живлення для наносупутників 1U, 1.5U та 2U. Модуль має два паралельно з’єднані Li-Po акумулятори. Акумулятор має інтегрований модуль захисту, який запобігає перенапруження та перезарядку. EPS має три канали сонячної

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(13)

Лист

РІп71.436631.001 5

панелі, оснащені колом відстеження максимальної потужності. Джерело живлення має шість виходів загального призначення. Кожен вихід може перемикатися між 2,7 В та землею. Всі виходи захищені діодами.

Ще один варіант пристрою який є на ринку Nanoavionics 2SxP, зображено на рисунку 1.2 [2]:

Рисунок 1.2 — Джерело живлення Nanoavionics 2SxP Технічні характеристики:

- Широкий діапазон вхідної напруги (2,6 – 18 В);

- Вісім каналів для сонячних панелей;

- Десять вихідних каналів;

- Два вихідних перетворювача можуть бути налаштовані на задану користувачем вихідну напругу (3 – 18 В );

- Висока вихідна потужність (до 175 Вт);

- Зовнішній акумулятор ємністю до 161 Вт.

Проаналізуємо характеристики даного приладу. Модуль має функції бортового моніторингу. У разі несподіваної несправності, система забезпечує перезавантаження супутника та повернення до надійного робочого стану. EPS оснащений вхідним колом відстеження максимальної потужності. Також має чотири вихідних перетворювача напруги, два з яких можуть бути налаштовані напругою (3 – 18 В), з десятьма налаштованими вихідними каналами, які дозволяють підключати велику кількість підсистем до блоку живлення та забезпечують надійний розподіл електроенергії завдяки інтегрованому,

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(14)

Лист

РІп71.436631.001 6

апаратному та програмному забезпеченню, що налаштовується надточним струмом особливості захисту.

Ще один варіант пристрою який є на ринку Crystalspace P1U «Vasik», зображено на рисунку 1.3 [3]:

Рисунок 1.3 — Crystalspace P1U «Vasik»

Технічні характеристики:

- Вхідна потужність до 10 Вт;

- Акумулятор 3 А∙г/11 Вт;

- Три канали для сонячних панелей;

- Шість вихідних каналів з обмеженням струму, захистом та керуванням комутацією;

- Шини вихідної потужності: 3,3 В, 5 В, 12 В;

- Ціна: 4400 €.

Проаналізуємо характеристики даного приладу. Crystalspace P1U EPS - це невеликий блок живлення. Він добре підходить для щільно упакованих 1 і 2 U CubeSats. Для зарядки акумулятору використовуються перетворювачі напруги з колом відстеження максимальної потужності. З акумулятора напруга подається через перетворювачі, які можуть забезпечувати 3,3 В, 5 В і 12 В. На виходах встановленні захист від перенавантаження. Виходи, вихідні напруги та канали налаштовуються відповідно до потреб користувача.

Проаналізувавши вище наведені блоки живлення можна зробити, висновки, що їх єдиним недоліком можна виділити дуже високу ціну, тому було прийнято рішення спроектувати більш дешевий аналог даних систем живлення.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(15)

Лист

РІп71.436631.001 7

1.2 Аналіз технічного завдання

1.2.1 Аналіз з точки зору конструктора

В дипломному проекті розробляється блок живлення для наносупутника.

Даний пристрій призначений для вироблення, збереження енергії, яка подальшому стабілізується за допомогою перетворювача напруги для живлення інших модулів CubeSat.

Живлення пристрою забезпечується сонячними панелями, які розміщені па поверхі наносупутника. Для їх під’єднання на платі розміщуються вхідні роз’єми. Для передачі стабільної напруги до інших модулів наносупутника, передбачається використання шини PC/104.

За показниками надійності пристрій повинен термін безвідмовної роботи не менше 1-го року та середній час напрацювання на відмову не менше 10000 годин. Ремонт та технічне обслуговування пристрою не передбачається.

Пристрій призначений для використання в космосі, де присутнє агресивне середовище та немає стабільного температурного режиму. Тому при виборі електронних компонентів треба враховувати ці умови, вимоги до РЕС наведені в таблиці 1.1 [4]:

Таблиця 1.1 — Кліматичні та механічні вимоги до космічної РЕС

Тип впливу Параметри впливу Величина

Синусоїдальні вібрації

Амплітуда прискорення, g 2 – 10 Діапазон частот, Гц 1 – 2000 Механічний удар Пікове прискорення, g До 150

Тривалість ударного прискорення, мс 1 – 6 Знижена

температура

Робоча, ᵒС −30

Гранична, ᵒС −45

Підвищена температура

Робоча, ᵒС 60

Гранична, ᵒС 85

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(16)

Лист

РІп71.436631.001 8

Продовження табл. 1.1

Тип впливу Параметри впливу Величина

Атмосферний тиск Тиск, кПа _{1,3 10}_ ⁻² кПа Так як пристрій призначений для використання в космічному просторі, ніяких умов для утилізації не передбачено.

Умови транспортування згідно ГОСТ 23216-78 — дуже легкі (ДЛ).

Перевезення без перевантажень автомобільним транспортом — транспортними засобами з пневматичним демпфуванням по дорогам з асфальтним та бетонним покриттям (дороги 1-ї категорії по будівельним нормам та правилам затвердженими Укравтодором) на відстані до 1000 км.

1.2.2 Аналіз з точки зору технолога

Так як в нас двостороння друкована плата доцільно виготовляти плату комбінованим позитивним методом. Даний метод є простий у використані і потребує малих затрат.

Матеріалом плати обрано двосторонній фольгований склотекстоліт FR-4 35/35 1,5 мм [5]. Склотекстоліт має високу механічну міцність, термостійкість, низькі втрати, високий поверхневий опір. Класом точності виготовлення плати було обрана 2-ий. Розміри друкованих плат для наносупутників стандартизований 96х90 мм.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(17)

Лист

РІп71.436631.001 9

2 ОБГРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР СХЕМОТЕХНІЧНОГО РІШЕННЯ І ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ

2.1 Розроблення структурної схеми

На рис. 2.1 зображено структурну схему модуля живлення наносупутника. В якості основного джерела живлення для наносупутників прийнято використовувати сонячні панелі, акумулятор як вторинне джерело живлення. Також обов’язковим є зарядний пристрій для акумулятора. Схеми вибору основного джерела живлення, за допомогою якої буде забезпечувати живлення від сонячних панелей, і від акумулятора період затемнення. Також було прийнято рішення використати перетворювачі напруги, які на виході будуть забезпечувати 5В, та 3,3В, які будуть живити усі інші модулі наносупутника.

Рисунок 2.1 — Структурна схема модуля живлення

Так як із за сонячної радіації у пристрої можуть виникати перенавантаження, на виході пристрою розміщуються захисні ланки, які забезпечують захист від перенавантаження за струмом і за напругою.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(18)

Лист

РІп71.436631.001 10

2.2 Вибір основних компонентів схеми 2.2.1 Акумулятор

У якості акумулятора використали два паралельно з’єднаних Li-Ion акумулятора формату 18650 (рис. 2.2), така збірка дає ємність 7000 мА і вихідною напругою 4,2 В. Вибір Li-Ion акумуляторів зумовлений декількома факторами: висока енергетична щільність (ємність), низький саморозряд, не потребують обслуговування.

Щодо недоліків: Li-Ion акумулятори при перезаряді, недотриманні умов заряду або при механічному пошкодженні часто бувають надзвичайно вогненебезпечними, також вони втрачають ємність на холоді.

Рисунок 2.2 — Li-Ion акумулятор формату 18650

Використання Li-Ion акумуляторів при мінусових значеннях температури знижують ємність, в той час як при нагріванні зменшується життєвий цикл АКБ. Робота в прикордонних температурних режимах призводить до різкого прискорення процесів старіння. Тому для продовження терміну служби Li-ion батареї було вирішено використовувати нагрівач з керуванням від мікроконтролеру для збереження температурного режиму акумулятора. В якості випромінювача тепла використовується керамічний нагрівач, який розмішений на поверхні кріплення для акумулятора на платі, який буде слугувати як радіатор.

Для виміру температури акумулятора і всередині корпусу вирішено використати цифровий термометр DS18S20. Він забезпечує 9-бітне вимірювання температуру за Цельсієм. До переваг датчика можна віднести:

використання лише однієї лінії даних (One-Wire bus); DS18S20 має унікальний

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(19)

Лист

РІп71.436631.001 11

64-розрядний серійний код, який дозволяє декільком DS18S20 функціонувати на одній шині One-Wire.

2.2.2 Зарядний пристрій

В якості зарядного пристрою використовується мікросхема BQ2057 (рис.2.3) [6]. Зарядний пристрій для Li-Ion акумуляторів. Вони поєднують високу точність регулювання струму та напруги, припинення заряду, індикація стану заряду.

Рисунок 2.3 — Схема зарядного пристрою BQ2057

BQ2057 заряджає акумулятор у три фази: кондиціювання, постійний струм та постійну напругу. Якщо напруга акумулятора нижче порогу низької напруги, ІМС підзаряджається використовуючи низький струм для кондиціонування акумулятора. Після кондиціонування BQ2057 подає постійний струм до акумулятора. Зовнішній сенсорний резистор встановлює струм. Фаза постійного струму триває, поки акумулятор не досягне напруги регулювання заряду. В даній роботі використовується зарядний пристрій з напругою заряду 4,2 В.

2.2.3 Схема вибору основного джерела живлення

TPS2111 забезпечує безперебійний перехід між двома джерелами живлення, з діапазоном вхідної напруги від 2,8 – 5,5 В. Також мікросхема включає в себе схему захисту, включаючи, програмований користувачем

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(20)

Лист

РІп71.436631.001 12

струм обмеження, термічний захист, безперебійний перехід між джерелами живлення. ІМС може працювати в двох режимах:

- автоматичному — вибір основного джерела живлення відбувається автоматично, в залежності від напруги на від основного джерела живлення (вивід IN1). Якщо напруга на виводі IN1 менше 2,8В, ІМС вибирає джерело з більшим рівнем напруги;

- ручне перемикання — вибір основного джерела живлення відбувається за рахунок зміни рівня сигналу на виводі D1.

Для TPS2111 обрано автоматизований режим роботи. Схема вибору основного джерела живлення представлена на рис. 2.4 [7].

Рисунок 2.4 — Схема вибору основного джерела живлення 2.2.4 Перетворювачі напруги

В якості перетворювачів напруги вирішено використати мікросхеми обладнанні контролером з вбудованим транзисторним ключем, так як вони спростять процес проектування, зменшать кількість необхідних зовнішніх компонентів.

2.2.5 Мікроконтролер

Основними функціями мікроконтролера в даному приладі є:

- Вимір напруги і струму;

- Вимір температури акумуляторів та навколо плати;

- Керування випромінювачем тепла;

- Передача інформації за послідовним периферійним інтерфейсом SPI.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(21)

Лист

РІп71.436631.001 13

В якості мікроконтролера (МК) використали PIC18F26Q [8], в даному, конкретному випадку, враховуючі всі необхідні характеристики він самий оптимальний, до переваг можна віднести: наявність вбудованого аналого- цифрового перетворювача (АЦП), що в нашому випадку дуже важливо, так як основною задачею МК є вимір напруги і струму; наявність послідовного периферійного інтерфейсу SPI.

2.2.6 Вимірювання напруги і струму

На рис. 2.5 зображена схема, для виміру струму використовуємо мікросхему INA199A3 (DD1) [9], сенсор струму.

Рисунок 2.5 — Схема вимірювання струму і напруги

Резистори R3, R5 та конденсатор С2 використовуються для фільтрації можливих вхідних шумів, R1 низькоомний резистор. Дільник напруги побудований на резисторах R1, R2, використовується для виміру напруги.

2.3 Схема електрична принципова

Схема електрична принципова розроблена в середовищі Altium Designer [10], наведена в кресленику РІп71.436631.001 Е3. Розглянемо принцип роботи окремих систем. Напруга від сонячних панелей подається через роз’єми X1–X8, вона подається на підвищуючи перетворювач напруги DA1, який допомагає отримати стабільну напругу 4,5 В подається на зарядний пристрій DD5, який заряджає паралельно з’єднанні акумулятори. Також напруга подається на схему вибору основного джерела живлення DD6, якщо

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(22)

Лист

РІп71.436631.001 14

генерування енергії сонячними панелями неможливо (коли планета закриває сонячне світло) модулі наносупутника живляться від акумулятора.

Струм протікає через DC/DC підвищуючи перетворювач DA2, та понижуючий DA3, після перетворювача напруги до 5 В та 3,3 В та фільтрації від шумів, конденсаторами С21–С25, стабілізована напруга, протікає через захисну ланку, яка стежить за рівнем напруги та струму, і при виникненні перенавантаження вимикає навантаження від живлення, для запобігання пошкодження модулів супутника. Після чого напруга подається на вихідну шину X9, за допомогою якої з'єднуються всі модулі наносупутника.

Напруга і струм вимірюються на вході з сонячних панелей X1-X8, після DD6, та на виході з вихідних перетворювачів напруги DA2, DA3. Значення напруги з резистивного дільника напруги, та струму з мікросхем DD1-DD4, DD7-DD9 передаються на аналогові виводи DD12, де обробляються за допомогою вбудованого в МК АЦП. Датчики JT1-JT3, призначенні для виміру температури акумуляторів та в різних точках плати. Виміряні значення також обробляються мікроконтролером. Обробленні значення напруги, струму, та температури передаються на бортовий комп’ютер наносупутника, за допомогою послідовного периферійного інтерфейсу SPI.

Роз'єм J10 використовується для з’єднання випромінювача тепла, який керується за допомогою МК, а саме температурою з датчика JT2, розміщеного біля акумулятора. Якщо температура акумулятора менше ніж 5ᵒС, МК подає напругу на базу транзистора VT4, і вмикає випромінювач тепла. Тим самим забезпечує нормальний температурний режим акумулятора.

В цьому розділі було розроблено структурну схему приладу, розглянуті вибрані схемотехнічні рішення, та розроблено схему електричну принципову системи живлення.

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(23)

Лист

РІп71.436631.001 15

3 ПРОЕКТУВАННЯ ЕЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ

3.1 Обґрунтування конструкції

У конструкції блока потрібно забезпечити інтерфейс, а саме: зручне розташування портів для з’єднання сонячних панелей, вихідних портів, також зручне розташування акумуляторів.

Доцільно розташувати усі порти для сонячних панелей з одного боку плати, а вихідні з іншого. Оскільки можна простіше організувати підключення кабелів.

3.2 Вибір елементної бази

Потрібно уточнити, що вибір елементної бази зумовлений декількома факторами, а саме:

– Елементна база повинна забезпечувати потрібні електричні параметри;

– Елементна база повинна бути доступною;

– Елементна база буде впливати на технологію виготовлення приладу;

– Елементна база повинна бути стійкою то різких температурних змін у космосі.

Усі пасивні елементи схеми використовувати у SMD корпусах. Тому, резистори R1…R52, конденсатори С1…С30, транзистори VT1…VT4, і роз’єми J1…J8 використали у SMD, J9 формату PC/104 – вивідні.

Для спрощення процесу вибору елементів, було вирішено при можливості вибирати одинакові компоненти від одного виробника (табл. 3.1).

Таблиця 3.1 — Обрані резистори

Позначення Модель Номінал, Ом

R1, R3… RC0805FR-0745K3L-Yageo 45,3 к

R2, R4… RC0805JR-10KR-Hitano 10 к

R9…R12… RC0805FR-10R-Hitano 10

R13…R16 RS-05FL7-0R01-VIKING 0,01

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(24)

Лист

РІп71.436631.001 16

Продовження таблиці 3.1

Позначення Модель Номінал, Ом

R22 RC0805FR-348K-Hitano 348 к

R21, R36 RC0805JR-100KR-Hitano 100 к

R23, R34, R39 RC0805JR-1MR-Hitano 1 М

R24 RC0805JR-820K-Hitano 820 к

R26 RL0805JR-0R22-Hitano 0,22

R27 RC0805FR-402R-Hitano 402

R28 RC0805JR-1KR-Hitano 1 к

R50, R51 CSR1206FK20L0-Stackpole Electronics 0,022 Резистори R2, R4, R9…R12, R22…R38 потужністю 0,125 Вт від компанії Hitano (рис.3.1) [11], їх електричні характеристики:

– Тип розмір: 0805;

– Допуск: не більше ±5 %;

– Максимальна робоча напруга 200 В;

– Діапазон робочої температури −55…+155 ^оС.

Резистори R50, R51 потужністю 0,5 Вт від компанії Stackpole Electronics Inc [12], їх електричні характеристики:

– Типорозмір: 1206;

– Допуск: ±1%;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(25)

Лист

РІп71.436631.001 17

Рисунок 3.1 — 3D модель резистора в середовищі Altium Designer Вибрані конденсатори наведені у табл. 3.2.

Таблиця 3.2 — Обрані конденсатори

Позначення Модель Номінал, Ф

С1–С8 C0805B104K500NT-Hitano 0,1 мк

C9, C19 C0805B103K500NT-Hitano 10 н

С10, С11, С18 CL21A226MQQNNNG-Samsung 22 мк

С20 C0805Y106M063N3-Hitano 10 мк

С29, С30 C0805B105K250N3-Hitano 1 мк

Конденсатори С1-С19, С20…С30 обрали від компанії Hitano (рис. 3.2) [13], їх електричні характеристики:

– Максимальна напруга: 16 В;

– Діапазон робочих температур −55…+85 ^оС.

Конденсатори С10, С11, С18 обрали від компанії Samsung [14], їх електричні характеристики:

– Максимальна напруга: 10 В;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(26)

Лист

РІп71.436631.001 18

Рисунок 3.2 — 3D модель конденсатора в середовищі Altium Designer Індуктивності L1…L3 обрали від компанії AnlaTech/IH (рис. 3.3) [15], моделі SND0403-1R0M їх електричні характеристики:

– Габаритні розміри: 4,5х4х3,2 мм;

– Максимальний струм: не менше 3,5 А.

Рисунок 3.3 — 3D модель індуктивності в середовищі Altium Designer Біполярний транзистор VT1 обрали від компанії DIODES INCORPORATED (рис. 3.4), моделі FZT788BTA [16], його електричні характеристики:

– Тип транзистора PNP;

– Напруга колектор-база, відкритий перехід 15 В;

– Напруга колектор-емітер, відкритий перехід 15 В;

– Максимальний допустимий струм колектора 3 А;

– Гранична робоча частота 100 МГц;

– Напруга емітер-база, відкритий перехід 7 В;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(27)

Лист

РІп71.436631.001 19

Рисунок 3.4 — 3D модель транзистора VT1 в середовищі Altium Designer Польовий транзистори VT2, VT3 обрали від компанії Vishay (рис. 3.5), моделі Si1470DH [17], його електричні характеристики:

– Тип транзистора МОП;

– Напруга стік-витік, відкритий перехід 30 В;

– Напруга затвор-витік, відкритий перехід 12 В;

– Максимальний допустимий струм стоку 5,1 А;

Рисунок 3.5 — 3D модель транзисторів VT2, VT3 в середовищі Altium Designer

Біполярний транзистор VT4 обрали від компанії DIODES INCORPORATED (рис. 3.6), моделі FMMT617TA [18], його електричні характеристики:

– Тип транзистора NPN;

– Напруга колектор-база, відкритий перехід 15 В;

– Напруга колектор-емітер, відкритий перехід 15 В;

– Максимальний допустимий струм колектора 3 А;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(28)

Лист

РІп71.436631.001 20

– Гранична робоча частота 120 МГц;

– Напруга емітер-база, відкритий перехід 5 В;

– Діапазон робочих температур −55…+150 ͦ С.

Рисунок 3.6 — 3D модель транзисторів VT4 в середовищі Altium Designer ІМС моніторингу за струмом DD1…DD4, DD7…DD9 обрали від компанії Texas Instruments (рис.3.7), моделі INA199A3 [9], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги 0…26 В;

– Вихідний струм 5 мА;

Рисунок 3.7 — 3D модель ІМС INA199A3 в середовищі Altium Designer ІМС зарядного пристрою DD5 обрали від компанії Texas Instruments (рис. 3.8), моделі BQ2057 [6], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги −0,5…18 В;

– Вихідний струм 40 мА;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(29)

Лист

РІп71.436631.001 21

Рисунок 3.8 — 3D модель мікросхеми DD5 в середовищі Altium Designer ІМС вибору основного джерела живлення DD6 обрали від компанії Texas Instrumentals (рис. 3.9), моделі TPS2111 [7], його електричні характеристики:

– Вихідний струм: до 1,5 А;

Рисунок 3.9 — 3D модель мікросхеми DD6 в середовищі Altium Designer ІМС захисту від перенавантаження DD10, DD11 обрали від компанії Analog Devices (рис. 3.10), моделі LTC4361-2 [19], його електричні характеристики:

– Струм живлення: 400 мкА;

– Напруга перенавантаження: >5,8 В;

– Струм перенавантаження: >3 А;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(30)

Лист

РІп71.436631.001 22

Рисунок 3.10 — 3D модель мікросхем DD10, DD11 в середовищі Altium Designer

Мікроконтролер DD12 обрали від компанії Microchip (рис. 3.11), моделі PIC18F26Q43 [8], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги 1,8…5,5 В;

– Робоча частота: 64 МГц;

– Розрядність: 8-біт;

Рисунок 3.11 — 3D модель МК DD12 в середовищі Altium Designer Перетворювач напруги DA1, DA2 обрали від компанії Texas Instrumentals (рис. 3.12), моделі TPS61230 [20], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги 2,3…5,5 В;

– Вихідна напруга: 2,5…5,5 В;

– Вихідний струм: 2,1 A;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(31)

Лист

РІп71.436631.001 23

Рисунок 3.12 — 3D модель мікросхем DA1, DA2 в середовищі Altium Designer

Перетворювач напруги DA2 обрали від компанії Texas Instrumentals (рис. 3.13), моделі TPS62086 [21], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги 2,5…6 В;

– Вихідна напруга: 3,3 В;

– Вихідний струм: 3 А;

Рисунок 3.13 — 3D модель перетворювачів DA3 в середовищі Altium Designer

Датчики температури XT1…XT3 обрали від компанії Maxim Integrated (рис. 3.14), моделі DS18S20 [22], його електричні характеристики:

– Діапазон робочої напруги 3…5,5 В;

– Діапазон вимірюваної температури: −55…+125 ^оС;

– Точність виміру: ±5 ^оС;

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(32)

Лист

РІп71.436631.001 24

Рисунок 3.14 — 3D модель датчика температури XT1…XT3 в середовищі Altium Designer

Роз’єми X1-X8, X10 обрали від компанії Molex (рис. 3.15), моделі 533980271 [23], з наступними характеристиками:

– Максимальний струм 1 А;

Рисунок 3.15 — 3D модель роз’ємів J1-J8, J10 в середовищі Altium Designer Шина X9 обрали від компанії Samtec (рис. 3.16), моделі ESQ-126-39-G-D [24], з наступними характеристиками:

– Максимальний струм 1 А;

Рисунок 3.16 — 3D модель роз’ємів X9 в середовищі Altium Designer

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(33)

Лист

РІп71.436631.001 25

3.3 Розрахунок елементів друкованого монтажу

Розрахуємо розміри контактних майданчиків для елементів поверхневого монтажу за формулою:

к v 0,3

D =D + (3.1)

де D_к – розміри контактних майданчиків; D_v – розміри виводів.

Отримані значення наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 — Розміри контактний майданчиків для елементів поверхневого монтажу

Назва елемента Dv, мм D_к, мм D^к з даташиту INA19A3 0,30х0,46 0,60х0,76 0,40х1,05

BQ2057 0,51x0,89 0,8x1,20 0,6x1,55

TPS2111 0.30x0.75 0.60x1,05 0,45x1,50 LTC4361-2 0,36x0,50 0,66x0,80 0,40х1,22 TPS61230 0,18x0,30 0,48x0,80 0,30x0,85 TPS62086 0,20x0,30 0,50x0,60 0,25x0,60 0,25х1,20 0,55х1,50 0,30х1,50 Роз’єм 533980271 0,32x0,60

1,50x2,20

0,62x0,90 1,80x2,50

0,80x1,30 2,10x3,00 Транзистор Si1470DH 0,50x0,60 0,80x0,90 0,60x0,95 Транзистор FZT788BTA 3,00x0,95

0,70x0,95

3,30x1,25 1,00x1,25

3,30x1,60 1,20x1,60 Транзистор FMMT617TA 0,48х0,45 0,78х0,75 -

Резистор 0805 0,7x1,35 1,00x1,75 - Резистор 1206 1,70x0,60 2,00x0,90 - Конденсатор 0805 0,7x1,35 1,00x1,75 - Індуктивність SND0403 4,5х1,35 4,80х1,65 4,50х1,50

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(34)

Лист

РІп71.436631.001 26

Розрахуємо діаметр отворів для вивідних елементів за формулою:

о v 0, 2

D =D + (3.2)

де D_о – розміри отворів для вивідних елементів.

Розрахуємо розміри контактних майданчиків для вивідних елементів за формулою:

2

k о 3 о

D =D + D (3.3)

Отримані значення наведено в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 — Розміри контактний майданчиків для вивідних елементів Назва елемента D_v, мм D_о, мм D_k, мм

Роз’єм ESQ-126-39-G-D 0,6 1 1,6

Датчик температури DS18S20 0,38x0,46 0,8 1,4 3.4 Розрахунок параметрів друкований провідників

Для розрахунку ширини друкованих провідників необхідно знати який максимальний струм та напруга проходить через силові та сигнальні ланцюги.

Аналізуючи параметри пристрою, максимальний струм в силових провідниках дорівнює 2 (А). Проведемо розрахунки мінімальної ширини друкованих провідників у вузькому та широкому місці для плати 4 класу точності, за допомогою формули:

1 min 0,18

s s

D но

t =t + t = (3.4)

де _min

Ds

t – мінімальне значення ширини друкованого провідника, що обираємо згідно з класом точності 0,15мм;

ноs

t – допуск на ширину провідника, 0,03 мм.

Мінімальне значення ширини друкованого провідника t1 у вузькому місці, мм: 0,18 мм. Мінімальне значення ширини друкованого провідника t1 у широкому місці, мм: 0,3 мм. Мінімально допустиму ширину провідника t2 з урахуванням допустимого падіння напруги на ньому (3%) розрахуємо за формулою:

Са ль ус А . М . РІ - п 71, 2020

(35)

Лист

РІп71.436631.001 27

max

2 0,38

0,03

р p

l I t h U



 

= =

  ^(мм) ^(3.5)

де l_р =58 (мкм) – довжина провідника; I_max =2А – максимальний струм (обрано найбільше значення струму з усіх елементів плати);

0,0175

 = (

Ом мм2

м

 ) – питомий опір провідників; h_p =35 (мкм) – товщина шару металізації друкованої плати; U – прикладена напруга живлення, 5В.

Мінімально допустима ширина провідника t3 з урахуванням допустимого рівня струму на ньому розрахуємо за формулою:

max 2,8

p p

t I

h j

= =

 ^(мм) ^(3.6)

де j_p =20 (A/мм²) – допустима щільність струму, що протікає через провідник.

Розрахована ширина для силового провідника: 2,8 мм.

Найменшу номінальну відстань Smin між елементами провідникового рисунку (між двома провідниками) розрахуємо за формулою:

min _m _во 0, 2

S =S +  =t (мм) (3.7)

де S_m =0,15 (мм) – мінімально допустима відстань між сусідніми друкованими об'єктами;  =t_во 0,05 (мм), допуск на ширину провідника.

3.5 Опис конструкції

В наносупутнику усі друковані плати з’єднанні за допомогою PC/104 — шина розширення, яка дозволяє встановлювати плати один на одну (рис. 3.17), також вона задає стандарт розмірів друкованої плати 96 на 90 мм. Така конструкція дозволяє зібрати декілька плат в один модуль, і розмістити його в компактному корпусі. Також для збільшення міцності, плати з’єднують за допомогою стойок М3.