Электроника как простор для технического творчества
- 06.11.2024
Максим Дмитриев — инженер-исследователь и аспирант первого курса ИЯФ СО РАН, занимается разработкой источников питания, руководит сборкой своих моделей и налаживает производство серийных экземпляров. Он три года подряд выигрывает Конкурс молодых ученых Института ядерной физики им. Г.И.Будкера (ИЯФ СО РАН) в секции радиофизики. Свободное время Максим тоже посвящает электронике и железу, особенное внимание уделяет аудиотехнике из-за своей любви к музыке. О том, как увлечение переросло в профессию и стало источником вдохновения для научных разработок, читайте в интервью.
— Как называется ваше направление?
Я занимаюсь силовой электроникой и источниками питания. Разрабатываю разнообразные устройства, такие как: низковольтные источники постоянного и переменного тока, источники импульсного питания, высоковольтные зарядные устройства для емкостных накопителей импульсных источников.
— В этом году вы взяли первое место в Конкурсе молодых ученых со своей разработкой. Что это за проект и где он будет применяться?
Это проект источников питания для быстрых дипольных корректоров на СКИФ. Они применяются в системе быстрой обратной связи орбиты пучка FOFB. Система FOFB служит для стабилизации замкнутой орбиты в области частот до одного килогерца. Когда происходит возмущение замкнутой орбиты, система обратной связи воздействует в противофазе на пучок дипольными корректорами. Процесс стабилизации орбиты можно сравнить с шумоподавлением в современных наушниках: корректоры влияют на пучок в противофазе внешним воздействиям, тем самым нейтрализуя их. Функционирование системы быстрой обратной связи орбиты важно для получения проектных параметров эмиттанса 73 пм∙рад.
Система FOFB состоит из мониторов положения пучка (BPM), контроллеров управления Libera Brilliance+, корректоров и их источников питания. Основой являются контроллеры Libera Brilliance+, которые с помощью BPM измеряют отклонения орбиты от равновесного значения и вычисляют поправки тока для всех корректоров системы. Корректор FOFB представляет собой квадратную ферритовую рамку с четырьмя обмотками на сторонах. При прохождении тока через пары обмоток в плоскости рамки создается магнитное поле, которое воздействует на пучок. За поддержание необходимого тока в обмотках отвечают именно источники питания.
Для быстрых корректоров были разработаны специализированные импульсные источники питания с топологией полный мост. Источники имеют цифровую систему управления на основе микроконтроллера stm32g4. Мостовой силовой каскад источника управляется ШИМ сигналом, который генерируется с помощью таймера высокого разрешения stm32g4. Сигнал обратной связи (реальный выходной ток) оцифровывается массивом встроенных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Микроконтроллер по цифровому интерфейсу получает уставку тока для пары обмоток корректора, вычисленную Libera Brilliance+, «сравнивает» уставку и реальный выходной ток, из чего регулирует управляющий ШИМ сигнал.
Максим Дмитриев на рабочем месте
— Эта технология разработана только для СКИФа или она универсальна?
Разработка была нацелена именно на СКИФ, но источник получился довольно универсальный, широкого плана. Он специально выполнен в виде съемного модуля, его можно устанавливать на «материнскую плату» с различными интерфейсами и разъемами. Таким образом, его можно применять и в других проектах, например, на ВЭППах. Этот источник может выдавать и постоянный, и переменный ток в диапазоне ±3 ампера, что позволяет использовать его для большого количества задач.
— Почему эта разработка важна?
Таких источников с нужными параметрами в продаже нет. Разработка начинается с поиска уже существующих решений, в данном случае ничего похожего найти не удалось, поэтому было решено создать новое устройство. Наиболее похожие устройства — усилители низких частот, они могут отдавать переменный ток. Есть большое количество классических линейных транзисторных усилителей низких частот, но для системы FOFB на СКИФ такие не подходят, потому что они не приспособлены для работы с нагрузкой в виде корректора и имеют небольшой диапазон выходного напряжения, а повысить его не позволяет слишком низкий КПД. Грубо говоря, если переделать их под эту задачу, они будут очень сильно греться и потребуется сложная система охлаждения. Проблема в том, что корректор это индуктивная нагрузка, и к нему нужно прикладывать относительно высокое напряжение. Это нужно для получения высокой скорости нарастания тока, чтобы добиться необходимой рабочей полосы частот. Но чем выше первичное напряжение питания в линейной схеме, тем больше тепла будет выделяться на силовом каскаде. Новый же разработанный источник собран не по линейной, а по импульсной схеме, и имеет гораздо более высокий КПД. В этой разработке много технических решений почерпнуто от современных импульсных аудиоусилителей класса D. Такие усилители есть в носимых устройствах (в телефонах), а также в компьютерах и аккумуляторных усилителях звука. В носимых устройствах КПД важен для экономии батареи, а в нашем случае из-за повышенного напряжения питания. Источники устанавливаются в корзины по шесть экземпляров. По расчетам с линейными источниками тепловыделение в одной корзине оказалось бы больше киловатта, а с импульсными получается менее ста ватт.
Источник питания для быстрых дипольных корректоров на СКИФ
— Есть ли другие источники, которые опираются на эту же технологию из аудиотехники?
Усилители класса D изначально разработка именно для аудиотехники. Вообще топология достаточно стандартная — мостовой силовой каскад. Но отличия в нюансах: более высокая рабочая частота, другие выходные фильтры, специализированные системы управления и обратной связи. Важно отметить, что технология, конечно, не полностью заимствована из аудиотехники. Просто есть много своих особенностей, почерпнутых из области импульсных усилителей низких частот, потому что именно они могут выдавать переменный выходной ток в полосе частот, в которой нужно гасить возмущения на СКИФе.
— Вы три года подряд занимаете 1 место на КМУ, в чем «секрет успеха»?
Я думаю, разработка сама по себе достаточно востребованная и интересная. К тому же у меня был довольно быстрый прогресс с этими источниками, и с предыдущим проектом тоже. Два года подряд (в 2024-м и в 2023-м гг.) давали первое место за один и тот же проект «Источники питания быстрых корректоров СКИФ». А до этого (в 2022-м г.) за предыдущий проект «Разработка двухполярного зарядного устройства для емкостных накопителей». Говоря о проекте источников на СКИФ, в 2023-м году у меня был ранний прототип импульсного источника, я отрабатывал на нем разные технические решения. Еще чуть раньше я экспериментировал с линейными источниками. К конкурсу 2024 года сделал много итераций и оптимизаций, перешел от прототипов к готовому устройству и запустил производство. Это действительно важно на конкурсе, на секции радиофизики высоко ценится разработка, которая доведена до серии. У многих проекты занимают больше времени, они не успевают за бакалавриат и даже за магистратуру доделать одно устройство и до производства его не доводят. Жюри любит, когда проект находится на высокой стадии готовности. Также эти источники, даже ранние версии, были задействованы в разных интересных экспериментах — подавление сетевой гармоники на ВЭПП-3, проверка самодельной системы FOFB на ВЭПП-4, измерения характеристик секступольных магнитов на СКИФ. Уже много применений нашлось помимо основного.
— В чем заключается ваша работа в ИЯФе?
Это разработка, наладка и тестирование, а также контроль производства. Сначала придумываю схему, разрабатываю печатную плату и общую конструкцию, заказываю все компоненты, собираю и отлаживаю. Что-то не получилось — оптимизирую, в конце концов получается готовое устройство, которое я отдаю на тиражирование.
— Почему вы решили заниматься именно наукой?
Мне нравится электроника, моделирование схем. Трудно объяснить, но это как в детстве, когда собираешь конструктор и получаешь что-то сложное и интересное, когда что-то работает и взаимодействует. С электроникой так же, это конструктор, но для взрослых специалистов. Всегда любил электронику, поэтому пошел в лабораторию 6-0. Я радиолюбитель с раннего возраста. Я много собирал ламповые и транзисторные усилители, так что эта тема с источниками питания FOFB на СКИФе мне довольно близка. Свое первое более-менее серьезное устройство я собрал лет в 14, это был ламповый однотактный усилитель на 6п14п и 6н2п. В какой-то момент я сел и стал очень долго изучать тему, много читал, а потом сам собрал усилитель, он сразу получился.
— А сейчас дома что-то разрабатываете?
Для себя и сейчас собираю, у меня осталось увлечение аудиоэлектроникой, так что до сих пор собираю усилители. Еще педали эффектов для гитары, конденсаторные микрофоны, фонокорректоры для виниловых проигрывателей…
Один из множества самодельных усилителей и гитара «partscaster»
— А может на музыкальных инструментах играете?
Я играю на гитаре, на басу, на ударной установке. Музыка нужна больше для того, чтобы расслабиться и отвлечься. Мне нравится разная музыка, но в основном рок. Сейчас я больше всего слушаю Red Hot Chili Peppers. Раньше больше всего любил Muse, потом был долгий период Led Zeppelin. Другие жанры тоже много слушаю, например, джаз, у меня есть пластинки Louis Armstrong, John Coltrane. Но путь в музыке начался именно с Muse. У меня сначала была акустическая гитара, я на ней играл, потом захотелось электрогитару, а усилители хорошие стоят дорого, их сложно купить. Поэтому я задумался, а не собрать ли самому? И вот, долго изучал, как это все работает, и сделал свой. Аудиоэлектроника сильно стимулировала мое увлечение радиолюбительством.
В физмат школе я играл в группе. Мы несколько раз выступали на локальных концертах, это интересный опыт. Но в группе надо постоянно собираться на репетиции, что отнимает много времени. Тогда мы не писали свои песни, делали только каверы. После физмат школы группа переросла в «Бесплатный автобус», но я уже тогда в ней не состоял.
У меня много хобби, не только музыка. Я езжу на мотоцикле, реставрирую его, а с недавнего времени работаю еще и с машиной. Мне нравиться делать что-то своими руками. У меня старенький Yamaha XJR400 94-го года, я его восстановил. В этом году появилась машина Nissan Skyline r33 95-го года, сейчас машину тоже постепенно восстанавливаю.
Мотоцикл Yamaha XJR400 1994 года
— Где вы учились?
Я закончил магистратуру и бакалавриат физического факультета НГУ, кафедра радиофизики, до НГУ учился в физмат школе, а до физмат школы в гимназии №3. Когда в НГУ происходило распределение научных руководителей, я нашел своего первого научного руководителя Крылова Андрея Александровича, и так и остался в ИЯФе. Сейчас я уже в аспирантуре ИЯФ.
— С какими сложностями вы сталкивались во время учебы? Что помогло их преодолеть?
Были стандартные трудности студенчества — сидишь все время, безвылазно учишься, решаешь задачки, но это у всех так, думаю. Было довольно трудно, но все шло равномерно.
— Какой совет вы дали бы себе-первокурснику? Или может что-то изменили бы?
Ничего бы не изменил. Я бы сделал все так же.
— Что для вас значит быть ученым, разработчиком?
Мне хочется что-то создавать, и здесь я имею такую возможность. Создавать что-то полезное, реальное, что будет где-то эксплуатироваться, а не то, что потом пойдет в стол. Приятно видеть свои результаты, это сильно стимулирует. Практические результаты — это, наверное, один из основных моментов. Работа дает мне большой простор для технического творчества.
— Какие у вас планы на будущее?
Так как этот проект уже закончен, ушел в серию и скоро уедет на СКИФ, если куда-то еще источники понадобятся, я просто буду их дальше тиражировать. Производство налажено, буду проверять, что все работает. В аспирантуре я начинаю новый проект — двухполярные источники питания на 500 ампер. Они востребованы на многих машинах, так что тоже должна получиться довольно универсальная и интересная разработка.
Подготовила Елизавета Койнова