Sisteme pentru mentinerea orizontalitatii unor aparate si echipamente de navigatie

Sisteme pentru mentinerea orizontalitatii unor aparate si echipamente de navigatie

1. Introducere

Pe navele comerciale, stabilizarea pozitiei orizontale la girocompas cat si la antena radar se realizeaza cu ajutorul suspensiei pe trei cercuri cardanice care elimina efectul nedorit al ruliului si tangajului pentru valori ale acestora cuprinse in intervalul .

O solutie originala prin care sistemul suspensiei cardanice devine eficient si pentru unghiuri de inclinare a navei ce depasesc limitele mentionate o constituie utilizarea a doua platforme suprapuse care se pot roti simultan, dar independent.

Arborele motor care constituie totodata si elementul de sustinere al primei platforme este dispus orizontal si paralel cu axa longitudinala a navei . El se sprijina pe lagare ale caror suporti sunt montati pe un element stabil din structura navei. Prin rotirea sa aceasta platforma reduce efectul ruliului .

Cea de-a doua platforma pe care se gaseste sistemul suspensiei cardanice este de asemenea sustinuta de propriul arbore motor ale carui lagare are suportii fixati rigid pe prima platforma. Fiind orientat transversal pe axa longitudinala a navei arborele de antrenare al acestei platforme permite o miscare de rotatie care reduce efectul tangajului. Fiecare platforma este actionata de un motor de curent continuu reversibil .

Semnalele care determina polaritatea tensiunii de alimentare pentru cele doua motoare sunt furnizate de catre traductoare de pozitie realizate cu magnetotranzistoare in montaj diferential.

1. Caracterizare generala a magnetotranzistoarelor bipolare laterale in tehnologia MOS

1. Descrierea structurii si principiul de functionare

Figura 13.30 prezinta sectiunea transversala intr-un magnetotran-zistor care functioneaza pe principiul deflexiei liniilor de curent [11]. Acest dispozitiv are structura unui MOS cu canal lung dar functioneaza ca un tranzistor bipolar lateral cu camp suplimentar de drift in baza.

Dispozitivul este situat intr-o insula p care serveste ca regi-une de baza a tranzis-torului. Cele doua contacte B⁺ si B^- ale bazei permit aplicarea unei tensiuni de acce-lerare pentru purta-torii minoritari injec-tati in baza, iar regiunile separate lateral de lungimea bazei pe o distanta servesc ca emitor E si colector principal C. Substratul S constituie colectorul secundar.

Pentru a descrie calitativ functionarea dispozitivului se considera ca acesta este polarizat corespunzator regiunii active normale. Datorita campului de accelerare din regiunea bazei, majoritatea electronilor injectati in baza se deplaseaza de-a lungul acesteia, sunt colectati de colectorul C si produc curentul de colector . Totusi unii dintre purtatorii minoritari difuzand in jos sunt colectati de colectorul secundar S si produc curentul de substrat . Campul de accelerare determina cresterea raportului dintre curentul util si cel parazit . Daca se aplica un camp magnetic perpendicular pe planul figurii, raportul se va schimba datorita deflexiei traiectoriilor electronilor.

Portiunea din regiunea bazei cuprinsa intre contactele de emitor si colector functioneaza ca o placa Hall scurta si campul de inductie produce deflexia liniilor de curent.

Curentul transversal Hall va fi [2]:

(13.13)

In analiza teoretica facuta s-a presupus campul de valoare scazuta, electronii deplasandu-se in principal datorita fenomenului de difuzie.

2. Raspunsul senzorului si sensibilitatea relativa la curentul de polarizare

Deflexia electronilor injectati in baza sub actiunea campului magnetic de inductie paralela cu suprafata dispozitivului are ca efect formarea componentei transversale corespunzatoare curentului Hall, deci se produce o variatie a curentului de colector care poate fi considerata ca semnal de iesire.

Raspunsul senzorului este dat de relatia:

(13.14)

In figura 13.31 este redata dependenta raspunsului de inductia magnetica pentru trei structuri de magneto-tranzistoare realizate pe siliciu si avand rapoartele diferite ()

MGT1:0,5;

MGT2:1;

MGT3: 2.

La o geometrie data (0,5) ras-punsul senzorului este diferit daca se modifica proprietatile de material asa cum este ilustrat in figura 13.32 pentru doua structuri MGT1 si MGT2 realizate din Si, si GaAs.

La dispozitivul din GaAs mobilitatea mai mare a purtatorilor de sarcina asigura valori superioare raportului comparativ cu acelea din cazul siliciului ( pentru Si si pentru GaAs).

Sensibilitatea relativa la curent a magnetotranzistorului se defineste prin:

(13.15)

in care este curentul de colector in absenta campului magnetic, iar (1) reprezinta variatia acestui curent datorata campului magnetic de inductie . Pentru aceeasi inductie si la acelasi curent total de colector, sensibilitatea depinde de geometria dispozitivului si de proprietatile de material.

In tabelul 13.2. sunt prezentate valorile numerice obtinute pentru cinci structuri diferite de magnetotranzistoare.

Tabelul 13.2. Valorile numerice ale sensibilitatii

3. Prezentarea traductorului Hall

Magnetotranzistorul utilizat in constructia traductorului de deplasare are structura unui tranzistor MOS cu canal lung dar functioneaza ca tranzistor bipolar lateral cu camp suplimentar de drift in regiunea bazei (figura 13.33).

In prezenta unui camp magnetic cu sensul convenabil ales curentul de colector are o valoare redusa.

La scaderea inductiei magnetice curentul prin tranzistor creste si ca urmare se produce variatia potentialului de colector :

(13.16)

Iesirea magnetotranzistorului este conectata la intrarea unei porti logice de tip trigger Schmitt (de exemplu CDB413 sau MMC4093) astfel incat se furnizeaza semnal de nivel "0" logic cand inductia magnetica creste si nivel "1" logic cand inductia magnetica scade.

4. Prezentarea traductorului de pozitie

Deoarece prin rotirea sa una dintre platforme elimina efectul ruliului, iar cealalta efectul tangajului se foloseste cate un traductor pentru fiecare platforma.

Cei doi senzori ai traductorului (figura 13.34) sunt magnetotranzistoare cu structura MOS care functioneaza insa ca tranzistoare bipolare laterale cu camp suplimentar de drift in regiunea bazei (figura 13.30). La un astfel de dispozitiv polarizat corespunzator regiunii active normale, analiza teoretica arata ca in cazul unei polarizari constante, pentru un anumit material si o geometrie data a dispozitivului . Cele doua magnetotran-zistoare se gasesc in campul unui pendul magnetic. In absenta miscarii de ruliu sau tangaj, pendulul se afla in pozitie mediana si campurile magnetice pentru cele doua magnetotranzistoare sunt egale.In consecinta, si la iesirea traductorului tensiunea este .

La inclinarea navei datorita ruliului spre babord (sau tribord) creste valoarea inductiei pentru un senzor , de exemlplu MGT1 , si scade pentru celalalt. Echilibrul celor doi curenti de colector dispare si daca tensiunea la iesirea traductorului este:

(13.17)

Daca nava se inclina in sens opus, atunci si rezulta:

(13.18)

Trebuie precizat ca pentru platforma care se poate roti in jurul unei axe paralele cu axa longitudinala, pendulul traductorului se deplaseaza intr-un plan vertical perpendicular pe axa longitudinala a navei, iar pentru cealalta platforma pendulul magnetic al traductorului se poate deplasa intr-un plan vertical paralel cu axa longitudinala a navei.

4. Schema bloc si rolul circuitelor componente

Schema bloc (figura 13.35) contine: traductorul T, integratorul I, amplificatorul A, comparatorul C si blocul de comanda si alimentare al motorului BCA.

Nivelul semnalului la iesirea traductorului este proportional cu unghiul de inclinare al navei, iar polaritatea acestuia indica sensul de inclinare al navei. Integratorul are rolul de a elimina vibratiile de frecvente relativ ridicate ale pendulului (frecventa oscilatiei navei este redusa de ordinul fractiunilor de Hz.). Totodata integratorul introduce o mica intarziere in variatia tensiunii de comanda a motorului,utila pentru restabilirea pozitiei initiale orizontale a platformei. La aceasta restabilire o contributie esentiala o are inertia mecanica a sistemului .

Dupa amplificare, semnalul dat de traductor este comparat cu un semnal de referinta si functie de polaritatea tensiunii la iesirea comparatorului se comanda polaritatea tensiunii de alimentare a motorului. Pragul comparatorului poate fi reglat in functie de intarzierea produsa de integrator si de inertia sistemelor de actionare.

5. Schema electrica de principiu si descrierea functionarii

In figura 13.36 este data schema electrica de principiu a traductorului si amplificatorului. Daca inclinarea spre tribord a navei are ca efect un dezechilibru al curentilor de colector traductorul genereaza semnalul:

(13.19)

Amplificatorul operational este intr-o configuratie de amplificator diferential si tensiunea la iesire este:

(13.20)

Functionare in continuare a circuitului poate fi urmarita in figura 13.37, care prezinta schema de principiu pentru blocul de comanda si alimentare a motoarelor.

In situatia descrisa cand tensiunile la intrarile celor doua comparatoare au polaritate diferita. Cand , si iesirea comparatorului C₁ este in starea JOS, deci: ceea ce asigura blocarea tranzistoarelor T₁ si T₃.

Observam ca in aceeasi stare la intrarea comparatorului C₂ tensiunea este: , acesta trece in starea SUS, ceea ce determina intrarea in conductie a tranzistoarelor T₂ si T₄, polaritatea tensiunii la bornele motorului fiind cea indicata in figura 13.37.

Sensul de rotatie este astfel stabilit incat prin deplasarea platformei pentru compensarea ruliului se restabileste echilibrul celor doi curenti de colector.

Evident la o inclinare a navei spre babord iesirea comparatorului C₁ trece in stare SUS, conduce perechea de tranzistoare T₁, T₃, sensul tensiunii de alimentare se schimba si motorul se va roti in sens contrar restabilind pozitia orizontala a platformei.