ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02M3/335 

Настоящее техническое решение относится к системам управления подвижными объектами, в частности к системам управления широким классом объектов (авиационные объекты и изделия ракетно-космической техники), к которым предъявляются повышенные требования по надежности работы в неблагоприятных внешних условиях. К этим условиям относятся широкий диапазон температур, внешние электромагнитные излучения, вызванные работой как силового электротехнического оборудования, так и внешним электромагнитным излучением. Таким излучением может быть также ионизирующие излучения космического пространства, как естественного, так и техногенного происхождения. Излучения могут быть непрерывного характера и импульсного, вызванные вспышками на Солнце или авариями на объектах с атомными энергетическими установками.

Для работы аппаратуры системы управления, особенно при наличии в ее составе цифровых вычислительных устройств, преобразователей аналог-код, и код-аналог требуется качественное электропитание различных номиналов напряжений, для чего создаются системы электропитания (СЭП).

Типичный состав СЭП рассматривается в ряде источников (См., например, книгу Б.С.Сергеев, А.Н.Чечулина «Источники питания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта». М.: «Транспорт». 1998).

СЭП, описанная в этой книге, предполагает наличие источника первичного электропитания, которым может быть силовая цепь постоянного или переменного тока.

При питании от первичной сети постоянного тока, например солнечной батареи, химического источника тока (ампульная батарея или водородный источник), а также генераторов постоянного тока с приводом от турбогазовой установки или атомной энергоустановки.

Для объектов ракетно-космической техники основным первичным источником постоянного тока кроме солнечной батареи служит химический источник тока (ампульная батарея, водородный источник) или указанные выше генераторы с различным силовым приводом. Как правило, после первичных источников устанавливают батарею аккумуляторов в качестве промежуточного накопителя. Независимо от вида и параметров первичного источника и батареи непосредственное подключение к ним аппаратуры системы управления невозможно, так как для работы аппаратуры требуется несколько номиналов напряжений питания с различными требованиями к их стабильности. Поэтому в состав системы электропитания вводят источники питания, так называемые источники вторичного электропитания или просто источники питания (ИП), дающие набор вторичных питающих напряжений требуемой номенклатуры, стабильности и гальванически развязанных между собой и от первичного питания.

Построение ИП базируется на следующей основной структуре (См. также книгу Реймонд Мэк «импульсные источники питания». Пер. с англ. Изд. ДОДЭКА, М., 2008). Состав ИП, а также устройства управления частой на основе компаратора, сравнивающего выходное напряжение с опорным напряжением стабилитрона приведен на рисунках 1.7, 1.8 и 2.1 на стр.21, 22 и 35.

ИП включает в свой состав последовательно соединенные генератор импульсов, преобразователь напряжения и силовой каскад, подключенные к силовым шинам первичного питания. К выходным шинам подключают схему сравнения выходного напряжения с опорным (эталонным) напряжением.

Выходной сигнал схемы сравнения для исключения гальванической связи между первичным питанием и выходным напряжением передают через элемент гальванической развязки на управление частотой генератора.

Наличие такой обратной связи позволяет поддерживать номинальное значение выходного напряжения при изменении потребления и параметров первичного силового питания, но требует наличия элемента, дающего опорное стабильное напряжение, не изменяющееся со временем. Чаще всего это полупроводниковый стабилитрон.

В настоящее время схемотехника построения ИП хорошо отработана.

Более того, промышленностью выпускаются специальные микросхемы.

Так, например, в справочнике «Микросхемы для импульсных источников питания» (Изд. «ДОДЭКА», 1997) на рис.7, стр.8 приведен типовой состав ИП, который включает последовательно соединенные выпрямитель - диод или мостик, фильтрующий конденсатор, трансформатор, в первичную обмотку которого включен транзистор-прерыватель. Во вторичной обмотке или обмотках включен выпрямительный диод и сглаживающий конденсатор, образующие силовой каскад.

В цепи обратной связи от выходной шины (а при наличии нескольких выходов от выхода с основным или наибольшим потреблением) установлена схема сравнения выходного напряжения с опорным. Сигнал от этой схемы через элемент гальванической развязки (обычно это промышленный оптрон) поступает на транзистор-прерыватель.

Недостатком такого построения ИП является недостаточная отказоустойчивость, так как возникновение неисправности в любом одном элементе приводит к неработоспособности ИВЭП и системы в целом, что недопустимо для объектов ракетно-космической и авиационной техники. Кроме того, изменение температуры окружающей среды и особенно воздействие ионизирующего излучения приводят к дрейфу (изменению) параметров источника опорного напряжения и, следовательно, к искажению номинала выходного напряжения, что может привести к неработоспособности устройств системы управления и ее отказу. Кроме того, использование элемента гальванической развязки (оптрона) в цепи обратной связи требует линейности его характеристик, что не обеспечивается при действии ионизирующего излучения.

Известная реализация не позволяет резервировать ИП, так как недопустима работа основного и резервного источника на общую нагрузку и, более того, не обеспечивает формирование стабильного вторичного электропитания при действии ионизирующего излучения даже в нерезервированном включении.

Аналогичные недостатки сохраняются и в схеме ИП, приведенной в справочнике «Микросхемы для линейных источников питания». Изд. «ДОДЭКА», 1998. Стр.17, рис.3).

Описанный в этом источнике ИП включает последовательно соединенные мостик, конденсатор, линейный стабилизатор и конденсатор. Не решает проблему и применение описанной там же на стр.202 микросхемы трехканального «LOW DROP». В этой микросхеме есть три независимых узла, но также не позволяющие работать на общую нагрузку.

Кроме того, необходимость работы в полях ионизирующего излучения выдвигает ряд дополнительных проблем.

Эти проблемы для импульсных ИП с транзистором-прерывателем вызваны наличием схемы сравнения с опорным напряжением, не обладающей необходимой радиационной стойкостью.

Не обеспечивается работа в полях излучения и схемы гальванической развязки на базе оптрона, от которого требуется линейная передача сигнала.

Таким образом, использование известных решений не позволяет создать ИП для космических аппаратов, или других систем управления, подверженных действию ионизирующего излучения космического пространства или энергоустановок.

Необходимо создание ИП, обеспечивающих их резервирование, а также сохраняющих работоспособность при деградации параметров комплектующих элементов от действия ионизирующего излучения космического пространства или любых других источников, например, при авариях на объектах с атомными энергоустановками.

Кроме того, в ряде систем управления космическими аппаратами для расширения области работоспособности входящих в их состав вычислительных устройств и для экономии энергоресурсов целесообразно применить регулирование выходных напряжений ИВЭП по командам бортовой ЭВМ.

Применение регулируемых по кодовому управлению ИП необходимо в лабораториях и на заводах-изготовителях аппаратуры, которая в процессе производства и сдаточных испытаний проверяется в широком диапазоне изменения температур и питающих напряжений.

Наиболее полно указанные проблемы могут быть решены при модернизации ИП, приведенного в указанной выше книге Б.С.Сергеева, при его совершенствовании в части обеспечения резервного включения хотя бы двух ИП на общую нагрузку, а также обеспечения стабильного формирования выходного напряжения при действии ионизирующих излучений. Данное решение может быть взято за прототип.

Предлагается ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий выпрямитель (диод), трансформатор, в первичную обмотку которого включен транзистор-прерыватель, выпрямительный диод во вторичной обмотке.

В ИП дополнительно включены входной фильтр перед трансформатором и выходной фильтр после диода во вторичной цепи.

Кроме того к выходным шинам подключен преобразователь напряжения в частоту, подключенный выходом через элемент гальванической развязки к формирователю частоты, управляющий вход которого является входом источника, который можно в частности подключить к управляющей ЭВМ, а выход подключен к базе транзистора-прерывателя.

Состав ИП приведен на фигуре 1. Источник содержит последовательно включенные входной фильтр 1-1, трансформатор 2, в первичную обмотку которого включен транзистор-прерыватель, диод после вторичной обмотки, выходной фильтр 1-2, ограничительный резистор и выходной диод, обеспечивающее подключение нескольких ИП к общей нагрузке. К выходу подключен преобразователь напряжения в частоту 3, выход которого через элемент гальванической развязки 4 подключен к формирователю частот 5, частотный выход которого подключен к базе транзистора-прерывателя, а три тактовых выхода подключены к управляющим входам формирователя импульсного питания 6, вход которого подключен к выходной шине источника, а выход является выходом импульсного питания, которое может использоваться не только потребителями, но и своим формирователем частот для работы счетчика, построенного на динамических триггерах.

Формирователь частоты (См. фиг.2) содержит кварцевый задающий генератор 21, выход которого подключен к счетчику 25, реализованному на динамических триггерах и схеме тактирования 30, выходы которой являются выходами формирователя. Выходы счетчика 25 подключены к дешифратору 26, выход которого подключен к стробирующему входу схемы сравнения 27, к первым входам которой подключены выходы счетчика частоты 29, вход которого является входом формирователя. Кроме того, формирователь содержит n последовательно включенных инверторов 22, подключенных к входам мультиплексора 23, выход которого является частотным выходом формирователя и подключен к входу первого инвертора. Формирователь содержит счетчик 29 поступающей на его вход от преобразователя напряжения в частоту 3 (См. фиг.1) частоты, подключенный выходом к первым входам схемы сравнения 27, к вторым входам которой подключены выходы регистра кода частоты 28. Инкрементный и декрементный выходы схемы подключены к одноименным входам счетчика кода частоты 24. Его установочный вход и вход регистра кода частоты являются установочным входом формирователя. Выходы счетчика кода частоты подключены к управляющим входам мультиплексора.

Фильтр (См. фиг.3) содержит в плюсовой шине диод, после которого между плюсовой и минусовой шинами установлен низкочастотный сглаживающий конденсатор. Обе шины через высокочастотные фильтрующие конденсаторы подключены к шине земли.

Формирователь импульсного питания (См. фиг.4) содержит три параллельные цепи, включенные между силовой шиной и выходом. В каждой цепи последовательно включены два полевых транзистора. Три входных управляющих сигнала разведены таким образом, что каждый сигнал подключен к затворам двух транзисторов, установленных в разных цепях, образуя выборку «2 из 3».

Схема тактирования (См. фиг.5) содержит три узла синхронизации 31, 32 и 33, вход которых является входом схемы, подключенным к кварцевому задающему генератору. Синхронизирующий выход каждого узла подключен к синхронизирующим входам двух других и является выходом схемы.

Узел синхронизации (См. фиг.6) содержит элемент И 61, первый вход которого является входом узла синхронизации. Выход элемента подключен к входам динамического счетчика 62, реализованного на динамических триггерах, и сдвигового регистра 63. Выходы счетчика подключены к входам первого 64-1 и второго 64-2 дешифраторов, выход второго дешифратора является выходом узла, а выход первого подключен к запускающему входу триггера останова 65, выход которого является синхронизирующим выходом узла и подключен к второму входу элемента И и первому входу мажоритарного элемента 68 останова. К второму и третьему входам мажоритарного элемента подключены выходы триггеров привязки 67, входы которых являются синхронизирующими входами узла. Выход мажоритарного элемента подключен к входу триггера пуска 66, выход которого подключен к сбрасывающему входу триггера останова. Выходы четных и нечетных разрядов сдвигового регистра подключены к запускающим и сбрасывающим входам триггеров формирователей (69-1 - 69-n), выходы которых являются дополнительными выходами узла.

Динамический триггер (См. фиг.7) реализован как транзисторный усилитель, к базе транзистора которого кроме резисторного делителя подключена LC цепь, являющаяся элементом памяти, причем индуктивность содержит две обмотки - рабочую и намотанную поверх нее компенсационную, концы которой закорочены. Выходные прямой и инверсный сигналы снимаются с эмиттера и коллектора транзистора, которые через свои резисторы подключены соответственно к общей шине и шине питания. Источник работает следующим образом. При появлении внешнего питания в счетчиках 23, 24 и регистре 28 формирователя частоты устанавливаются коды, соответствующие номинальному значению частоты и соответственно выходному напряжению. Транзистор-прерыватель, переключаясь с задаваемой формирователем частотой, производит «накачку»энергии во вторичную обмотку и на выходе источника появляется выпрямленное и отфильтрованное напряжение, поступающее в нагрузку и на собственные нужды в формирователь частоты и формирователь импульсного питания.

Это напряжение преобразуется в частоту, которая поступает в формирователь частоты на вход счетчика 26, значение которого сравнивается схемой сравнения 27 с заданным в регистре 28 номиналом и в зависимости от знака сравнения при поступлении от дешифратора 29 стробирующего сигнала формируется импульс инкрементации или декрементации, по которому значение счетчика кода частоты 24 увеличивается или уменьшается на 1. Новый код поступает на управление мультиплексором 23, который добавляет или уменьшает номер подключаемого инвертора из кольца инверторов 22, меняя тем самым выходную частоту, поступающую на транзистор-прерыватель, и, следовательно, выходное напряжение. Частота кварцевого генератора 21, пройдя схему тактирования 30, управляет формирователем импульсного питания, который начинает формировать из выходного напряжения стабилизированные импульсы питания динамических триггеров потребителей и собственного формирователя частоты.

Таким образом, задавая коды управления на вход формирователя частоты, можно изменять выходное напряжение источника. Формирователь включает в свой состав кварцевый задающий генератор, обладающий хорошей стабильностью, не меняющейся под действием ионизирующего излучения.

В предлагаемом ИП исключены элементы, деградирующие при действии ионизирующего излучения, а требуемая стабильность обеспечивается регулировкой частоты, управляющей транзистором-прерывателем с опорой на радиационностойкий кварцевый генератор. Введение на выходе источника последовательно включенных резистора и диода позволяет включить несколько (2 или 3) источника на общую нагрузку, т.е. обеспечить резервирование.

Выводы: В предлагаемом источнике питания устранены все недостатки известных решений, так как обеспечивается возможность резервного включения, кодовое управление выходным напряжением и радиационная стойкость с сохранением требуемой стабильности выходного напряжения в течение длительного времени работы при изменений окружающей температуры, энергопотребления нагрузкой в условиях действия ионизирующего излучения.

Изобретение относится к области построения систем автоматического управления. Технический результат - повышение надежности, возможность работы в неблагоприятных внешних условиях. Источник содержит последовательно включенные входной фильтр, выпрямитель, трансформатор, в первичную обмотку которого включен транзистор-прерыватель, выпрямительный диод, выходной фильтр, резистор и диод, выход которого является выходом источника, к выходу подключена цепь обратной связи, содержащая последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту, элемент гальваноразвязки и формирователь частоты, выход которого подключен к базе транзистора-прерывателя. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Источник питания, содержащий последовательно включенные первый диод во входной цепи, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором-прерывателем и включенный во вторичную обмотку второй диод, отличающийся тем, что содержит включенный перед первым диодом входной фильтр с защитным диодом на входе, включенные после второго диода выходной фильтр и резистор с диодом, выход которого является выходом источника, к которому последовательно подключены преобразователь напряжения в частоту, элемент гальванической развязки и формирователь частоты, подключенный выходом к базе транзистора-прерывателя, а тремя управляющими выходами - к одноименным входам формирователя импульсного питания, выход которого является импульсным выходом источника и подключен к входу импульсного питания формирователя частоты.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что формирователь частоты содержит кварцевый задающий генератор, подключенный к входу счетчика и схеме тактирования, три выхода которой являются тактовыми выходами формирователя, а выходы счетчика подключены к входам дешифратора, выход которого подключен с стробирующему входу схемы сравнения, к первым входам которой подключены выходы счетчика частоты, а к вторым входам - выходы регистра кода частоты, а инкрементный и декрементный выходы схемы сравнения подключены к одноименным входам счетчика частоты, выходы которого подключены к управляющим входам мультиплексора, к входам которого подключены выходы n последовательно включенных инверторов, а выход мультиплексора подключен к входу первого инвертора и является выходом формирователя, установочный вход которого является одноименным входом регистра кода частоты и счетчика кода частоты.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что фильтр содержит включенный в плюсовую шину диод, после которого между плюсовой и минусовой шинами установлен выравнивающий низкочастотный конденсатор, а обе шины через свои фильтрующие низкочастотные конденсаторы подключены к шине земли.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что формирователь импульсного питания содержит три параллельные цепи, в каждой из которых установлены два последовательно включенных полевых транзистора, а три управляющих сигнала разведены таким образом, что каждый сигнал подключен к затворам двух транзисторов, находящихся в разных цепях, образуя выборку «2 из 3».

5. Источник по п.2, отличающийся тем, что схема тактирования содержит три узла синхронизации, входы которых являются входом схемы, а синхронизирующий выход каждого узла является тактирующим выходом схемы и подключен к синхронизирующим входам двух других узлов.

6. Источник по п.5, отличающийся тем, что узел синхронизации содержит элемент И, первый вход которого является входом узла, а выход элемента подключен к входам сдвигового регистра и динамического счетчика, выходы которого подключены к входам первого и второго дешифраторов, выход второго из которых является синхронизирующим выходом узла, а выход второго подключен к запускающему входу триггера останова, выход которого подключен к второму входу элемента И и первому входу мажоритарного элемента, к второму и третьему входам которого подключены выходы триггеров привязки, входы которых являются синхронизирующими входами узла, а выход мажоритарного элемента подключен к входу триггера пуска, выход которого подключен к сбрасывающему входу триггера останова, при этом выходы четных и нечетных разрядов сдвигового регистра подключены соответственно к запускающим и сбрасывающим входам триггеров формирователей, выходы которых являются выходами узла.

7. Источник по п.6, отличающийся тем, что динамический счетчик реализован на динамических триггерах, которые реализованы как транзисторные усилители, с тем отличием, что к базе транзистора помимо резистивного делителя подключена LC цепь в качестве элемента памяти, причем индуктивность выполнена в виде двух обмоток - основной и намотанной встречно поверх нее резервной, концы которой закорочены, а выходные инверсный и прямой сигналы снимаются соответственно с коллектора и эмиттера транзистора, подключенных через свои резисторы соответственно к питающей и общей шинам.