Радиотехника

Чтобы не ругались на бояны, вот шутка в общую массу (отсылка к старым телевизорам):

Было это во второй половине 80х годов- в стране разрешили мелкое предпринимательство в виде кооперативов. Наступила эпоха видеосалонов и первых кабельных телевизионных сетей.

Представьте каково было солдатам в те времена в армии: на гражданке столько новых соблазнов и все мимо тех, кто в кирзовых сапогах.

Редкие счастливчики, кому удавалось выбраться в увольнение, уже не прогуливались по улицам пытаясь познакомится с девчонками, а прямиком шли в видеосалон, где и безвылазно смотрели фильмы.

Вы только не подумайте, что в солдатской казарме не было телевизоров. Были, причем у всех цветные, но самой "любимой" передачей солдат была программа "Время".

Его смотрели ежедневно все и по команде дневального по роте. В воскресный день, если нет спортивных мероприятий, еще удавалось посмотреть "Служу Советскому Союзу" и "Утренняя почта".

Рядом с территорией части был офицерский городок или ДОС (Дома Офицерского Состава).

Там, в общежитии холостых офицеров и зародился первый кооператив: молодые лейтенанты привезли с отпуска видеомагнитофон "Электроника - ВМ12" и пару десятков видеокассет.

Они не стали заморачиваться с помещением под видеосалон, а сразу начали разворачивать полноценную кабельную телесеть.

Технически это было очень просто: у видеомагнитофона "Электроника - ВМ12" был выход видеосигнала на частоте 6-го канала телевидения. Оставалось его кабелем подать в подъезды, где уже стояли стандартные усилители телевизионного сигнала.

От усилителя по подъезду спускался магистральный кабель и сигнал проходил через абонентские распределители УАР-6.1.

От УАР-6.1 уже тянулись кабели к каждой комнате или квартире. Вот и вся сеть. Офицеры в те годы получали очень хорошую зарплату, тратить особо было некуда, поэтому все с удовольствием становились абонентами кабельного телевидения.

Офицеры довольно часто делились с бойцами впечатлениями от просмотренных фильмов, вызывая у солдат безутешную зависть.

В один прекрасный вечер солдаты рассаживаются на просмотр своей любимой передачи "Время", но телевизор показывает только цветастый "снег"-нет сигнала. Народ быстро сообразил, что виной всему ураганный ветер, который свирепствовал целый день. Он и нахулиганил на крыше, некоторые телевизионные антенны развернуло, а некоторые и повалило на крышу.

Старшина отправляет пару бойцов на крышу, еще один боец стоит около открытого окошка.

Через такую нехитрую цепочку транслировались команды бойцу, который вращая настраивал антенну на максимум сигнала: "дальше!, дальше!, стооой!, назад чуток!, стой! и т.д"

Причем надо было поймать максимум по обоим каналам телевидения, поэтому старшина непрерывно крутил переключатель каналов.

Во время этих переключений вся казарма вдруг услышала голос, который знал каждый. Неет, это не Брежнев и не горбатый, это покруче- Леонид Володарский. Напомню его легендарный голос:

Его гнусавый голос мы все прекрасно знали, тогда он переводил пиратские видеофильмы.

Это был сигнал кабельного телевидения!!!

Несмотря на все старания ребят в тот вечер, кроме звука от видеофильма и ряби на экране поймать не удалось.

Тем не менее, вся рота бурлила: это же какие перспективы открывались! Раз телевизор ловит только звук, значит сигнал слабый. Как его усилить простым способом- сделать антенну точно настроенную на 6-ой канал.

На следующий день раздобыли у электриков куски толстого силового кабеля и изготовили антенну для приема кабельного телевидения.

Не думайте, что солдаты тогда были сплошь академиками, способными в уме вычислить все размеры элементов антенны.

В библиотеке были журналы "В помощь радиолюбителю", где печатались таблицы со всеми размерами на любой из 12 каналов.

Естественно, все делалось в тайне от офицеров.

Днем поменяли антенну на крыше, а после отбоя настроили на максимум сигнала. Сигнал был неустойчивый и постоянно прыгал с цветного на черно-белый. Это солдат не сильно огорчало-они БЕСПЛАТНО смотрели видеофильмы, что даже на "гражданке" мало кому было доступно..

За вечер транслировали по кабельной сети 3-4 фильма, но солдаты успевали посмотреть только пару последних фильмов. Причем самый последний фильм, который начинался уже после полуночи, был с "клубничкой".

Как известно, человеку всегда все мало и хочется больше и лучше. Вот и солдаты искали возможность улучшить качество сигнала.

Самым лучшим оказалась антенна "тройной квадрат", сделанный из медной трубки с хорошим согласованием с кабелем.

Конспирации все были обучены еще со школьной скамьи, на примерах первых революционеров и партизан.

Дабы не попасть под зоркое око дежурного по части или проверяющих офицеров были приняты тщательные меры. Телевизор разворачивали так, чтобы свет экрана не падал на окна. На время просмотра видеофильмов дневального выставляли на лестничную площадку подъезда казармы: хлопнула входная дверь или послышались шаги-тут же звучит "атас!".

Пока офицер дойдет до входа в казарму уже и телевизор выключен и все безмятежно сопят в постели аки младенцы.

Если от офицеров и получалось утаить эту хитрость, то от бойцов соседних рот утаить не получилось. Постепенно на всех казармах появились антенны, изготовленные под 6-ой телевизионный канал.

У кого то показывало лучше, а у кого то совсем еле-еле. Счастливчиками были бойцы крайней казармы - она была ближе всех к ДОСу, до крайних офицерских домов 134 метра по прямой.

Как известно, все хорошее когда нибудь заканчивается. Так получилось и с этой "нирваной".

С целью еще улучшить качество сигнала решили поменять кабель идущий к антенне: кто то из бойцов рассказал, что видел посеребрённый кабель в кабельканалах. Причем никто этому не удивлялся-вся техтерритория части была "усыпана" антеннами для работы с космическими спутниками.

Не долго думая, бойцы вырезали нужный кусок кабеля. Как оказалось, это был рабочий кабель и пропажа тут же обнаружилась. Виновных нашли быстро и на губу.

Комиссия офицеров прошлась "бульдозером" по крышам казарм, снимая и уничтожая все солдатские "спецантенны".

Выходы на крышу закрыли на замки и опечатали.

Долго еще потом бойцы с тихой грустью и тоскливым вздохом вспоминали это счастливое время.

Как же бойцам удалось обычной антенной поймать сигнал кабельного телевидения?

Шестой телевизионный канал транслируется на частоте 175 МГц.

Это достаточно высокая частота. При передаче радиосигнала в кабельной сети действует правило: чем выше частота радиосигнала, тем она критичней к качеству соединений. Любая неоднородность в соединении (из-за некачественной пайки) или плохое заземление экранирующей оплетки кабеля, кабельного усилителя приводит к излучению сигнала в эфир.

По сути такое место становится маленьким "телецентром". Минусом такого "телецентра" является малый радиус действия: затухание радиоволн, при распространении в эфире, равно квадрату расстояния, поэтому этот сигнал можно поймать только в пределах пару-тройку сотен метров.

Отсюда

Был он грязен и неопрятен, а так же нехватало одного толкателя кнопки

И таким стал после чистки. Толкатель кнопки нашёлся внутри аппарата. Пятна на ручках посередине случайно сделал я, это последствия полировки. В будущем я это исправлю, просто сейчас нет времени этим заняться.

Сетевой разъём пришлось заменить, благо нашлась радиотехника пожертвовавшая своим и которую мне было не жалко. Проблема была в том что держатель предохранителя был сломан и не давал стабильного контакта, а этот аппарат стоит того чтобы его защитить.

Колодка, которую я поставил более новая, по этому у неё не так утоплены внутрь штыри.

Внутри это выглядит так, были заменены все конденсаторы кроме фильтров в БП. Как показала проверка, они ещё живые.

А вот регулятору баланса не повезло, он фонил в крайних положениях даже после чистки, пришлось призвать на помощь колхоз и стянуть его проволокой. Только так удалось избавиться от фона.

Регулятор громкости тоже был почищен.

В усилителе до меня уже полазали, кем-то был добавлен дублирующий вход магнитофона на правую грань аппарата.

Отпаивать и убирать не стал, я всё-равно её не вижу, да и пустая дыра в корпусе хуже чем дыра с разъёмом.

Входов здесь достаточно для всей моей аппаратуры.

А так же очень удачно что выхода два, один пошёл на запись в Line IN моего ПК, другой - на вход мощника Электроники 017.

А теперь секция вопросов к счастливым обладателям такого же аппарата.
На фото ниже можно заметить что шток и ручка выбора режима (вторая сверху) как-бы под углом к земле. У вас так же?
И по поводу тембров, когда их подключаешь звук становится как-бы глуше, это нормальное поведение или всё-таки стоит искать проблему?

Спасибо за то что дочитали до конца, буду рад почитать ваши комментарии.

На данный момент, это один из немногих полупроводниковых измерительных приборов, имеющихся у меня. Сразу удивился его компактным размерам. По сегодняшним меркам это может прозвучать смешно, но не для меня. Потому как остальные мои приборы большие, тёплые и ламповые:) А тут целый комбайн в небольшом корпусе.

Прибор универсальный телеграфный первый, ПУТ-1, представляет собой обычный мультиметром совмещённый с тестером реле и генератором импульсов, тоесть телеграфных точек в формате Бодо.

Это все что удалось узнать(

Буду благодарен за сканы схемы и руководства, Гугл не выдает ничего😓. Только бюллетень с кратким описанием для предприятий на Мешке.

Сейчас ищу подходящие релюшки для дальнейших тестов;)

#shtr.no #shtreder.no #теплый_ламповый_подвальчик

Кто то скажет зачем снимать подобное видео? Такие уже есть. Дело в том, что время идет, все меняется, меняется в том числе оборудование и элементная база. Когда я брал паяльную станцию, то взял Lukey702 К сожалению обзоров по ней особо тогда не было, иначе взял бы другую. По этому мы сейчас актуализируем информацию.

Все можно нагуглить на али экспрессе или найти, как правило дороже, в ближайшем магазине.

Цены буду указывать приблизительные с али экспресс.

Для тех, кто не любит смотреть видео, краткий список.

Паяльник с регулятором температуры. ~350Р

Паяльная станция 8586D ~3500Р

Если придется паять чипы или микросхемы без фена сложно обойтись. На первое время можно конечно и строительный фен использовать, но все же не стоит этого делать :)

Флюсы и припой лучше взять в ближайшем магазине.

Флюс для алюминия, паяльная кислота. Пузырек ~60Р

Припой ПОС 61  с канифолью 0,8мм. ~360Р

Таким удобнее паять чем без канифоли внутри.

Что то, что бы отмывать флюс, спирт или Калоша

Набор отверток ~360Р

Придется много чего разного крутить.

Модуль понижающий XL4015 или Модуль понижающий XL4016 для своего первого регулируемого БП ~200-300Р

БП 36V ~700Р

Вольт амперметр ~250Р

Лабораторный блок питания R-SP605 - 30V ~3500Р

Мультиметр XL830L ~400Р

Макетные платы для первых самоделок ~120Р

Breadboard с ней намного удобней сначала собрать и проверить схему, чем паять ~130Р

Модуль понижающий Mini360 5шт. ~130Р

Пригодится в проектах. Например запитать 5 вольтовую схему от 9V

Модуль повышающий MT3608 5шт. ~150Р

Нужен там, где например от аккумулятора 4,2V нужно получить 5 или 9V

Модуль зарядки 18650 5шт. ~90Р

Наверняка придется часто иметь дело с этими аккумуляторами, такая плата позволит сделать вместе с ним устройство автономным.

Очки с увеличительными стеклами. ~650Р

Никуда без них при пайке мелких деталей

Ну и по мелочи:

Резисторы переменные, потенциометры 5К или 10К 5шт. ~150Р

Светодиоды 100шт. ~100Р

Транзисторы маломощные BC557 BC547 TO-92 50шт. ~50Р

Транзисторы помощьнее BD139 BD140 20шт. ~60Р

Набор конденсаторов электроличитеских 1мкф - 470Мкф 120шт. ~120Р

Комплект конденсаторов 20pF - 1 мкФ 180шт. ~130Р

Набор резисторов 10ОМ-1М 600шт. ~220Р

Если что то в списке забыл, или знаете вариант лучше, предлагайте в комментариях.

Набор собирался исходя из личного опыта или по рекомендациям других радиолюбителей.

PS Ни с какими магазинами и фирмами не сотрудничаю, картинки рандомные с интернетов.

Иллюстрация NoEmotion: будущий венероход получает энергию из ветров, дующих в плотной атмосфере планеты.

Постановка задачи

За время пандемии 2020 года произошло и несколько положительных событий. Одним из наиболее блестящих стал полет астронавтов США к МКС на борту коммерческого корабля SpaceX и их благополучное возвращение на Землю. Успех этого проекта стал знаменательным по ряду причин, включая то, что возможность подобных полетов способна избавить NASA от необходимости доставки людей на околоземную орбиту, позволив агентству заняться освоением более отдаленных глубин космоса. В данном случае речь может идти даже о Венере.

Восторг по поводу возможной миссии на эту планету был вызван (в последствии ставшим спорным) обнаружением в ее атмосфере фосфинового газа – возможного признака микробной жизни. Но Венера, будучи второй планетой от Солнца, имеет настолько суровые условия среды, что даже самый выносливый советский посадочный модуль «Венера – 13» смог отправлять данные всего 2 часа и 7 минут.

Средняя температура на поверхности планеты составляет 464 °C, атмосфера плотная и насыщена агрессивными каплями серной кислоты, а давление вблизи поверхности примерно в 90 раз выше земного. И все же ученые считают, что Венера является братом-близнецом нашего мира.

Размер и масса этих планет безусловно очень близки. К тому же есть свидетельства, указывающие на сходство их ранних этапов развития: в течении 3 миллиардов лет на Венере могли присутствовать массивные океаны, как на Земле, а значит есть вероятность, что там была жизнь. Какие же катаклизмы могли привести к исчезновению воды на Венере? Планетологи жаждут получить ответ на этот вопрос, так как он может прояснить возможную судьбу и нашей планеты, обусловленную изменениями климата.

С целью разгадать эту и другие загадки Венеры нам понадобится несколько чрезвычайно выносливых посадочных модулей. Но сможем ли мы создать машины — оснащенные инструментарием, средствами связи и при этом управляемые – которые смогут выжить в столь враждебной среде не несколько часов, а в течение месяцев и даже лет?

Средняя температура на поверхности: 464°C

Давление на поверхности: 92 МПа

Состав атмосферы: 96.5% CO2, 3.5% N, 0.015% SO2

Продолжительность дня: 5,832 часов (243 земных дня)

Модуль, проработавший дольше всех: Венера-13, не менее 127 минут

Сможем. Технология материалов существенно продвинулась с 1960-х годов, когда бывший Советский Союз начал отправлять на Венеру серию посадочных модулей. Сегодня она позволяет добиться такой прочности внешней обшивки и механической части модуля, которая обеспечит его работоспособность в течение месяцев. Но как же быть с чувствительной электроникой? Современные кремниевые системы не выдержат и дня в условиях Венеры (речь, конечно же, о земном дне, так как день на Венере составляет 243 земных). Даже применение дополнительных систем охлаждения не продлит их жизнь дольше, чем на 24 часа.

Решение существует

Ответ кроется в полупроводнике, состоящем из двух распространенных элементов – углерода и кремния – которые соединяются в соотношении 1:1, в результате чего получается карбид кремния (SiC). Этот материал способен выдерживать экстремально высокие температуры, сохраняя отличную работоспособность.

Ученые Исследовательского центра NASA им. Джона Гленна уже более года эксплуатируют схемы из карбида кремния при температуре 500 °C, демонстрируя не только их способность переносить экстремальную температуру, но и то, что они смогут работать в таких условиях на протяжении достаточного для посадочного модуля времени.

Карбид кремния уже занимает свое место в мощных электронных системах для солнечных инвертеров, электромобилях и передовых интеллектуальных энергосетях. Создание же SiC-схем, способных управлять ровером на адшафте Венеры и отправлять данные на Землю, позволит протестировать этот материал на предел его возможностей.

Если он выдержит, то мы не просто получим мобильный аванпост в одном из наименее гостеприимных мест солнечной системы. Это позволит ученым понять, как можно помещать беспроводные сенсоры в такие места на Земле, куда ранее их поместить не удавалось – на лопасти реактивных двигателей и турбин, работающих на природном газе; на головки буровых установок для глубоких нефтяных скважин; а также в промышленные устройства, работающие в условиях высоких температур и давления.

Возможность размещать электронику в таких местах имеет все шансы снизить стоимость работы и обслуживания оборудования, в то же время увеличив производительность и безопасность как для самих инструментов, так и для оперирующих в промышленных средах людей.

В действительности наша команда, а также члены Королевского института технологий в Стокгольме и Университета Арканзаса в Фейетвилле верим, что карбидокремниевые схемы позволят реализовать не только эти, но и более продвинутые идеи, которые ранее казались невообразимыми.

Vulcan II. Микрочип со множеством аналоговых и цифровых электросхем из карбида кремния для тестирования при 500°C.

[1] Кольцевой генератор; [2] 8-битные АЦП последовательного приближения и 4-битные линейные АЦП; [3] приемник RS 485; [4] 8-битные сумматоры и 4-битные умножители; [5] таймер 555; [6] 3-ступенчатый операционный усилитель; [7] преобразователь DC-DC; [8] Интегрированные драйверы затворов.

История открытия и особенности материала

Карбид кремния вовсе не является новым открытием. Впервые он был получен Эдвардом Гудричем Ачесоном в 1895 году. Американский химик стремился создать искусственные алмазы, получив в ходе своих экспериментов кристаллы SiC. Впервые это соединение было успешно использовано в 1906 году, когда Генри Харрисон Чейз Данвуди изобрел карбидокремниевый радиолокатор. Это изобретение на сегодня считается первым коммерческим полупроводниковым устройством.

Тем не менее крупные кристаллы SiC достаточно сложно воспроизводить, и только в конце 1990-х инженеры изобрели оборудование, позволяющее выращивать кристаллы, достаточно качественные для использования в силовых транзисторах.

Первые карбидокремниевые пластины были всего 30 миллиметров в диаметре, но с плавным прогрессом индустрии это значение увеличивалось до 50-, 75-, 100-, 150- и на данный момент достигло 200мм, сделав устройства гораздо экономичнее. Прогресс в исследованиях и производстве на сегодня достиг точки, когда полупроводниковые устройства из карбида кремния выходят в коммерческий оборот.

Как полупроводник этот материал отличается рядом очень выгодных свойств. Первым является то, что его критическая напряженность поля практически в 10 раз превышает кремниевую. Это свойство, по сути, определяет точку, в которой материал разрушается и начинает проводить ток бесконтрольно, что иногда даже приводит к взрыву. Если же сравнивать кремниевое и карбидокремниевое устройства одинакового размера, то второе сможет выдержать напряжение в 10 раз выше. При этом, если собирать из этих материалов два транзистора для передачи одинакового напряжения, то размер карбидокремниевого образца получится гораздо меньше.

Эта разница преобразуется в выгоду с позиции энергопотребления. Для одинакового напряжения разрушения (скажем, 1 200В) SiC транзистор в открытом состоянии имеет в 200-400 раз меньшее сопротивление, чем транзистор из кремния, что ведет к меньшим потерям энергии. Меньший размер также дает возможность использовать более высокую частоту переключения в преобразователе напряжения, что позволит использовать миниатюрные, легковесные и менее дорогостоящие конденсаторы и индукторы.

Вторым удивительным свойством карбида кремния является его теплопроводность. По мере нагрева SiC в следствие движения тока тепло можно очень быстро отводить, продлевая тем самым жизнь устройства. На деле среди широкозонных полупроводников теплопроводность карбида кремния идет второй, уступая только алмазу. Это свойство позволяет подключать высокомощный карбидокремниевый транзистор к теплоотводу того же размера, который бы мы использовали для гораздо менее мощного кремниевого компонента, также получая при этом полностью функциональное устройство длительного срока службы.

Третье свойство больше других имеет отношение непосредственно к оперированию на Венере и выражается в очень низкой внутренней концентрации носителей заряда при комнатной температуре. Эта характеристика показывает, сколько носителей заряда становится доступно для передачи электричества в следствие нагрева. (Легирование полупроводника атомами другого элемента может повысить число доступных носителей, внутренняя же концентрация показывает их изначальное количество).

Здесь можно решить, что низкое значение, в частности по отношению к кремнию, является плохим качеством. Но это не так, если наша задача – работать при высоких температурах.

И вот почему. Дело в том, что кремний при возрастании температуры перестает выполнять функцию полупроводника не потому, что расплавляется или воспламеняется и т.п. Вместо этого транзисторы чрезмерно наполняются термически сгенерированными носителями заряда.

Нагрев придает некоторым электронам достаточно энергии для выхода из валентной зоны, где они привязаны к атомам, в зону проводимости, после чего за ними остаются положительно заряженные дыры. Отделенные электроны и дыры теперь принимают участие в проводимости.

При умеренной температуре, предположим 250 – 300°C для кремния, это только вызывает утечку тока из транзистора и делает его шумным. Но при более высоких температурах внутренняя концентрация носителей превышает любую возможную добавку легирования, и вы уже не можете закрыть транзистор, который становится подобен выключателю, заевшему в положении «вкл».

В противоположность этому карбид кремния за счет более широкой запрещенной зоны и меньшего числа внутренних носителей заряда имеет гораздо более высокий температурный порог, при котором происходит его «заклинивание» в положении «постоянного пропускания тока», и будет продолжать успешно выключаться при температурах выше 800 °C.

Все вместе эти свойства позволяют SiC функционировать в условиях более высокого напряжения, мощности и температур по сравнению с кремнием. И даже при допустимых для работы кремния температурах SiC зачастую его превосходит за счет того, что такие транзисторы могут переключаться на более высоких частотах с меньшими потерями. Объедините это воедино, и вы получите более эффективные и надежные устройства, а также электросхемы и системы, которые меньше, легче и способны выжить в среде Венеры.

Важнейший компонент модуля

Любому отправленному на Венеру модулю понадобится радиоприемник для связи с Землей. Одним из основных компонентов такой системы является смеситель. На принимающей стороне он преобразует несущий сигнал 59МГц в частоту 500 КГц, которую легче всего оцифровать и обработать. На передающей же стороне он делает обратное. В сердце цепи смесителя лежит биполярный плоскостный транзистор из карбида кремния, предназначенный для работы при температуре, достигающей 500°C.

Совершенствование технологического решения

Будущему посадочному модулю, конечно, потребуется определенное количество мощных высоковольтных транзисторов, но при этом большая часть его микросхем – процессоры, сенсоры и средства радиосвязи – должны работать при низком напряжении. Эти компоненты гораздо реже создаются из карбида кремния, но благодаря возникшей проблеме упаковывания систем данный вопрос начал решаться.

Поскольку дискретные карбидокремниевые источники питания нашли коммерческое применение, инженеры осознали нужду в уменьшении электрических паразитных факторов – лишнего сопротивления, индукции и емкости, которые приводят к потере энергии. Один из способов – это улучшение интеграции цепей управления, питания и защиты с источниками питания за счет совершенствования корпусов.

В кремниевой силовой электронике эти цепи располагаются на печатных платах. Но на более высоких частотах, которых могут достигать мощные транзисторы, паразитные факторы таких плат становятся излишне сильны, что будет вести к чрезмерному шуму. При этом упаковывание или даже интеграция этих цепей с источниками питания может этот шум устранить. Однако выбор последнего варианта означал бы изготовление этих цепей из карбида кремния.

При комнатной температуре карбид кремния не будет естественным выбором для низковольтной микроэлектроники по ряду причин. Наиболее важной из них является то, что его напряжение не может быть настолько низким, как и энергопотребление. Малая ширина запрещенной энергетической зоны кремния означает, что для питания микроэлектроники достаточно всего 1В. Однако у карбида кремния запрещенная зона примерно втрое шире. Это говорит о том, что минимальное (пороговое) напряжение, необходимое для проведения тока через транзистор, также выше. Как правило, для «низковольтной» микроэлектроники из SiC используется питание 15В.

Исследователи по всему миру экспериментировали с низковольтной карбидокремниевой электроникой более 20 лет, и по началу успех был невелик. На протяжении же последних 10 лет ученые умы как наших, так и других университетов, включая компанию Cree, Институт интегральных схем общества Фраунгофера, Университет Пердью, Центр им. Гленна, Мэрилендский университет и Raytheon UK совершили ряд прорывов.

Иллюстрация, Эрик Врилинк. По мере роста температуры растет и внутренняя концентрация носителей заряда – то есть количество электронов, имеющих достаточно энергии для участия в проводимости. После достижения определенной концентрации транзистор чрезмерно насыщается носителями заряда и выключиться уже не может. Это происходит с большинством кремниевых устройств при температуре около 250°C, при этом карбидокремниевые устройства сохраняют способность отключения вплоть до 1 000°C.

Драйвер затвора

Одной из первых ключевых схем микроэлектроники, созданной командой из Арканзаса, стал драйвер затвора. Он напрямую управляет мощным транзистором через его вход или затвор. На данный момент мы разработали несколько версий такой схемы – которая может упаковываться вместе с (или даже поверх) источника питания – и протестировали их при температурах, характерных для Венеры. Эта схема также, как и более поздние версии, обеспечила высокоточный контроль над устройствами питания, увеличив их эффективность и снизив электромагнитные помехи. Самым сложным было добиться дизайна, который мог бы адаптироваться к изменяющимся условиям и даже учитывать эффекты старения, которые неизбежны в суровых условиях Венеры.

Драйверы затворов важны, но с позиции ученых, рассчитывающих на исследование других планет, наиболее важной системой все-таки является именно радио. В конце концов, нет смысла отправлять набор научных инструментов на далекую планету, если данные на Земле в итоге получить не удастся.

Компактные и надежные радиосистемы могут стать еще более важными в будущих планетарных экспедициях, потому что они способны переносить данные внутри самого венерохода, заменяя некоторые из тысяч двухточечных проводных соединений в этих машинах. Устранение проводов в угоду беспроводным системам управления существенно сокращает общую массу, являющуюся очень важным критерием при путешествии на 40 миллионов километров.

В последнее время мы вложили очень много усилий в проектирование и тестирование компонентов межпланетного приемопередатчика на основе карбида кремния. Этот материал никто бы не выбрал для, скажем, реализации систем 5G на Земле. Одна из причин в том, что при комнатной температуре его способность переносить заряд – часть того, что определяет верхнюю границу частот, которые полупроводник может усиливать – ниже, чем у кремния. Но при температурах поверхности Венеры кремний вообще не сможет функционировать, в связи с чем будет разумным опробовать для этой задачи именно SiC.

Мы разработали, собрали и протестировали 40 разных электросхем для работы при 500°C.

В отношении радиочастот карбид кремния имеет одну положительную особенность. Низкая плотность носителей заряда означает, что устройства, собранные из этого материала, имеют низкие паразитные емкости. Другими словами, в них присутствует мало зарядов, что уменьшает вероятность снижения эффективности устройства по вине их взаимодействия.

Архитектура нужного нам приемопередатчика называется гетеродином с низкой промежуточной частотой. (На греческом гетеро означает другой, а дин — сила).

Чтобы понять смысл сказанного, мы проследим входящий сигнал со стороны приемника. Радиосигналы с антенны усиливаются малошумным усилителем, после чего передаются в смеситель. Смеситель совмещает полученный сигнал с другой частотой, близкой к несущей частоте сигнала. Это смешивание создает сигнал на двух новых промежуточных частотах, одна из которых выше несущей, а вторая ниже. Далее более высокая удаляется фильтром низких частот. При этом оставшаяся промежуточная частота – более подходящая для обработки – усиливается и оцифровывается АЦП, который передает полученные биты, представляющие поступивший сигнал, блоку цифровой обработки.

Способ реализации радиочастотных схем, выполнявших все эти функции, определялся высокочастотными характеристиками технологии карбидокремниевых биполярных полостных транзисторов, разработанной в KTH. Эта технология привела к разработке фундаментальных радиочастотных схем, необходимых для создания трансивера, передающего и получающего сигналы на частоте 59МГц – баланс между верхней границей транзисторов и ограничениями пассивных компонентов схем, которые при снижении частоты увеличиваются.

(Эта частота находится грубо в диапазоне 80МГц, который использовался посадочными модулями для Венеры. Современная же миссия скорее всего будет сначала передавать данные околопланетному спутнику, который затем сможет отправлять их на Землю посредством используемых NASA частот дальнего космоса).

Смеситель

Одной из решающих частей трансивера является смеситель, который выполняет понижающее преобразование сигнала 59МГц до промежуточной частоты 50кГц. Сердцем смесителя выступает карбидокремниевый биполярный полостной транзистор, получающий и входящий радиочастотный сигнал 59МГц и сигнал 59МГц. Выход из коллектора транзистора подключается к сети конденсаторов и резисторов – спроектированных для работы при 500°C – которые отфильтровывают высокую частоту, оставляя только промежуточную, которая равна 500кГц.

Тепло проходит через микросхему карбидокремниевого драйвера затвора в процессе испытания, Университет Арканзаса.

В отличии от низкочастотных аналоговых и цифровых схем, которые идут после смесителя, радиочастотные схемы привносят сложности на всех стадиях разработки, включая отсутствие точных моделей транзисторов, проблемы с сопоставлением сопротивления для обеспечения проходимости большинства сигналов, а также надежность резисторов, конденсаторов, индукторов и печатных плат.

Платы, кстати, выглядят совсем не так, как вы могли бы предположить. Повсеместные платы FR-4, которые лежат в основе всего, начиная от карманных гаджетов и заканчивая передовыми серверами, в условиях Венеры очень быстро пришли бы в негодность. Поэтому мы используем так называемые низкотемпературные керамические платы.

Микросхемы, устанавливаются на их твердую поверхность с помощью золотых, а не алюминиевых проводов, которые бы просто не выдержали температуры. Вместо медных дорожек компоненты объединяются в схему посредством серебряных межсоединений, некоторые из которых покрываются титаном. Индукторы выполняются на плате в виде золотых спиралей. (Да, такие изделия будут недешевы).

Прочие схемы

Помимо очень важного смесителя, будущему роверу потребуется и многое другое. К настоящему времени Университет Арканзаса в сотрудничестве с KTH спроектировал, собрал и протестировал 40 различных схем для работы при 500°C. Эти схемы включают другие радиочастотные и аналоговые части трансивера и множество цифровых схем, необходимых для обработки данных трансивера и будущих планетарных научных сенсоров. Некоторые из них окажутся знакомыми для многих инженеров, например таймер 555, 8-битные АЦП и ЦАП, схема автоматической фазовой подстройки частоты, а также библиотека схем булевой логики.

Мы признаем, что так как эти детали производятся в университете в небольших количествах, их долгосрочное тестирование еще не проводилось. Наши лаборатории проверяли их работоспособность при высокой температуре в течение максимум двух недель. Тем не менее нас воодушевляют расширенные эксперименты других групп ученых, на основе которых мы заключаем, что наши схемы и устройства могут проработать и дольше.

Последние наработки и перспективы

Стоит отметить, что Исследовательский центр им. Гленна недавно сообщил о создании карбидокремниевых интегрированных схем, содержащих по 200 транзисторов каждая, которые проработали 60 дней в камере имитации условий Венеры. В ней они подвергались давлению в 9.3Мпа, температуре 460°C и характерной для планеты едкой атмосфере. Ни один из транзисторов не вышел из строя, из чего можно заключить, что они бы выдержали намного дольше, если бы камера могла обеспечить более длительные испытания.

Впереди еще много работы. Нам нужно сфокусироваться на интегрировании различных только разработанных схем и улучшении выходных характеристик уже имеющихся. Нам по-прежнему нужно продолжать разрабатывать и другие схемы, а также подтверждать возможность их совместного функционирования на протяжении месяцев или лет, сохраняя необходимую стабильность при температурах, соответствующих условиям Венеры. Последний пункт в особенности важен, если радиоустройства из карбида кремния и прочие маломощные схемы когда-то станут интересны для коммерческого применения, например в реактивных и газовых турбинах. При достаточных усилиях и должном уровне внимания для этого могут потребоваться всего лишь годы, а не десятилетия.

Будут ли схемы из карбида кремния готовы к будущей миссии на Венеру? На этот вопрос можно разумно возразить, что скорее миссия не будет готова без них.

Перевод статьи Alan Mantooth, Carl-Mikael Zetterling и Ana Rusu: The Radio We Could Send to Hell

P.S. С Днем Радио, уважаемые читатели!

Изначально эту статью я готовил для аудитории Хабра, где под ником Bright_Translate регулярно публикую различные переводы из мира технологий. К сожалению, на этот раз меня опередил другой переводчик. "Не зря же старался" - подумал я и решил поделиться ей с вами. Уверен, многие найдут ее интересной, тем более, что сегодня эта тема особенно актуальна.