ИСТОЧНИК СТАБИЛЬНОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H03M3/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной техники и может применяться при создании аппаратуры систем управления объектами ракетно-космической и авиационной техники, а также робототехническими комплексами, предназначенными для ликвидации последствий аварий на объектах атомной промышленности, тушения пожаров на нефтяных и газодобывающих промыслах. К таким системам управления предъявляются повышенные требования по надежности работы в неблагоприятных внешних условиях. К этим условиям относятся механические воздействия (линейные перегрузки, удары и широкополосная вибрация), широкий диапазон изменения температуры окружающей среды (от -60 до +125 град по Цельсию), а также действие ионизирующего излучения космического пространства, атомных энергетических установок и загрязненной местности. Основной частью таких систем управления является бортовой управляющий вычислительный комплекс, включающий помимо управляющей ЭВМ преобразователи «Цифра- аналог» и «Аналог-цифра». Среди последних широкое применение нашли источники стабильного тока, обеспечивающие обтекание датчиков резисторного типа (датчики температуры, датчики обратной связи в исполнительных механизмах управления объектом, например, рулевыми машинками соплами ориентации, заслонками двигательной установки и т.п.). Напряжение, снимаемое с датчиков, поступает далее на преобразователи напряжения в код, который используется управляющей (БУВК) ЭВМ для решения задач управления. Как правило, ток протекает последовательно через несколько датчиков, сопротивление которых непрерывно меняется и обеспечение стабильности тока является основой обеспечения точности вычислений и управления объектом. Задача усложняется неблагоприятными (более того - экстремальными) внешними условиями и действием полей ионизирующего излучения. Как правило, к БУВК авиационных и ракетно-космических систем предъявляется жесткое требование - сохранять параметры точности при изменении внешней температуры и воздействии полей ионизирующего излучения в течение длительного времени.

Для формирования стабильного тока используют различные решения. Так, например, в хорошо известной книге П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники», изд. Москва, «МИР» 1998 г. на стр.105 (рис.2.22 и 2.24) приведена схема источника тока. Однако сами авторы указывают на ее недостатки, к которым относятся уходы (нестабильность) параметров во времени. Если использовать данное решение в аппаратуре систем управления, то данный недостаток усугубляется изменением температуры в широком диапазоне и действием ионизирующего излучения. Лучшими характеристиками обладает приведенный в той же книге на стр.128 (рис.2.43) источник тока, реализованный по схеме «токовое зеркало». Однако для его работы требуется симметричность характеристик пары транзисторов и сохранение ее во времени, что не обеспечивается даже в нормальных условиях при длительной работе, не говоря уже о работе в экстремальных условиях и полях ионизирующего излучения. Лучшими характеристиками обладает Цифроаналоговый преобразователь (патент RU №2066924, Н03М 1/66, от 20.09 1996).

Устройство содержит преобразователь код-ток, переключатель знакового разряда, группу резисторов, три операционных усилителя и стабильный источник опорного напряжения (ИОН).

Недостатком данного преобразователя при применении в аппаратуре рассматриваемых систем является наличие не обладающего требуемой радиационной стойкостью ИОН, а также проблематичность сохранения параметров операционных усилителей и преобразователя код-ток на основе операционных усилителей при работе в широком диапазоне изменения температуры в полях ионизирующего излучения. Кроме того, для работы преобразователя требуется высокостабильное питание. Такое питание трудно обеспечить в космическом аппарате из-за жестких ограничений на массу и габариты аппаратуры. Это связано с тем, что при основном источнике силового питания в виде солнечных батарей с аккумулятором, химическом (например, водородном) источнике энергии или при питании от генераторов с силовым приводом от газовых турбин или атомных энергоустановок получают достаточно мощный источник энергии с нестабильным выходным напряжением, на которое накладываются пульсации от работы коммутационной аппаратуры. Нестабильность этого питания существенно влияет на стабильность выходного тока. Кроме того, источник тока, реализованный на основе известных решений нельзя использовать непосредственно в БУВК, так как из-за ограниченной выходной мощности источник нельзя подключить непосредственно к нагрузке (датчикам устройств объекта). Требуется включение промежуточных усилителей, что снижает стабильность тока, увеличивает массу аппаратуры системы управления и в космическим аппарате, где эта характеристика одна из важнейших, это делает введение дополнительной аппаратуры затруднительным, а в ряде аппаратов и невозможным. Кроме того, введение дополнительных устройств снижает надежность - одну из важнейших характеристик системы.

В наибольшей степени требованиям систем автоматического управления соответствует источник стабильного тока с заземленной нагрузкой (патент RU №2009603, Н03М 3/156), который может быть взят за прототип. Источник содержит операционный усилитель с положительными и отрицательными обратными связями, ИОН, группу прецизионных резисторов, фильтр нижних частот и механический переключатель, обеспечивающий подстройку параметров при проверке (настройке) в процессе изготовления.

Этому источнику также свойственны отмеченные выше недостатки в части недостаточной параметрической устойчивости операционных усилителей и ИОН при работе в широком диапазоне изменения температуры в полях ионизирующего излучения.

Наличие подстройки параметров только в процессе изготовления не обеспечивает необходимую точность в основном длительном режиме работы, так как будет «дрейф» параметров усилителя из-за изменения температуры внешней среды и дозовых явлений в полупроводниковых структурах. Кроме того, наличие механического переключателя цепей делает источник неустойчивым к механическим воздействиям (ударам и вибрациям, характерным для объектов ракетно-космической техники и робототехнических комплексов).

Для устранения отмеченных недостатков предлагается ИСТОЧНИК СТАБИЛЬНОГО ТОКА.

Описание существа изобретения Источник стабильного тока (См. фиг.1) содержит фильтр нижних частот (ФНЧ) 1-2 и измерительный шунт 7, включенный после него последовательно в выходную цепь.

Кроме того, в состав преобразователя введены последовательно соединенные и установленные перед ФНЧ фильтр 1-1, вход которого является силовым входом силового питания источника, трансформатор 2, в первичную обмотку которого включен транзистор прерыватель 6. После вторичной обмотки трансформатора 2 перед ФНЧ установлен выпрямляющий диод. С измерительных выходов шунта 7 снимается контрольное напряжение. Эти выводы подключены к входу преобразователя напряжения в частоту 3, который может быть реализован на основе микросхемы ADVFC32 фирмы Analog Devices или ее аналога. Выход схемы 3 через элемент гальванической развязки 4 (промышленный оптрон, работающий в импульсном режиме, или трансформатор) подключен к входу формирователя импульсов частотно-импульсной модуляции (ЧИМ)5, установочный вход которого является одноименным входом преобразователя, подключенным к бортовой ЭВМ. Выход формирователя подключен к базе транзистора прерывателя.

Формирователь импульсов ЧИМ (См. фиг.2) содержит группу последовательно включенных инверторов 21. Выход каждого инвертора подключен к входу мультиплексора 22, выход которого является выходом формирователя и подключен к входу первого инвертора. В составе формирователя имеется счетчик частоты 23, вход которого является входом формирователя, подключенным к выходу элемента гальванической развязки. Выходы счетчика 23 подключены к первым входам схемы сравнения 24. Ко вторым входам схемы сравнения подключены выходы регистра кода частоты 25. Инкрементный и декрементный выходы схемы сравнения подключены к одноименным входам счетчика кода частоты 26, подключенного выходами к управляющим входам мультиплексора. Установочный вход этого счетчика и установочный вход регистра 25 являются установочным входом формирователя.

Кроме того, формирователь содержит модуль тактирования 27, выход которого подключен к стробирующему входу схемы сравнения. Модуль тактирования (См. фиг.3) содержит первый 31-1, второй 31-2 и третий 31-3 генераторы импульсов, стабилизированные кварцем. Выходы каждого генератора подключены к входам своего блока фазирования, соответственно, первого 32-1, второго 32-2 и третьего 32-3. Фазирующий выход каждого блока подключен к фазирующим входам двух других блоков и входу блока мажоритации 33, выход которого является выходом модуля. Блок фазирования (См. фиг.4) содержит элемент И 41, первый вход которого является входом блока, подключенным к выходу генератора. Выход элемента 41 подключен к входу счетчика 42, выход которого подключен к входам с дешифратора 43. Дешифратор подключен выходом к запускающему входу триггера останова 44, выход которого является фазирующим выходом блока и подключен ко второму входу элемента И и первому входу мажоритара 46, выход которого подключен к входу триггера пуска 45. Выход триггера 45 подключен к сбрасывающему входу триггера останова. Ко второму и третьему входам мажоритара подключены выходы триггеров привязки 47, стробирующий вход которых объединен с первым входом элемента И, а входы являются фазирующими входами блока. Фильтр (См. фиг.5) содержит включенный на входе в плюсовую шину диод, между выходом которого и минусовой шиной установлен низкочастотный сглаживающий конденсатор, а обе шины через свои высокочастотные конденсаторы подключены к шине земли. Преобразователь работает следующим образом. После появления силового питания по внутренней схеме сброса/пуска во всех регистрах и счетчиках устанавливаются коды, соответствующие исходному выходному и входному току, например нулевому. После записи бортовой ЭВМ кода для преобразования в формирователь частоты он формирует соответствующий номинал частоты ЧИМ на управление транзистором прерывателем. Пройдя трансформатор с понижением напряжения в импульсе, но увеличением тока переменное напряжение выпрямляется диодом и после устранения пульсаций в ФНЧ поступает на выход. При протекании тока через шунт на его измерительных выводах появляется напряжение, пропорциональное величине протекающего тока Это напряжение схемой 3 (см. фиг.1) преобразуется в частоту, поступающую на вход формирователя ЧИМ. В формирователе, пройдя счетчик частоты 26, она в виде кода поступает на первые входы схемы сравнения 25, где сравнивается с заданным в регистре кода частоты 24 значением, которое с помощью сигнала стробирования, формируемого из стабильной частоты кварцевых генераторов модуля тактирования превращается в код эталонной частоты, поступающий на вторые входы схемы сравнения. В зависимости от знака разности формируется сигнал инкрементации или декрементации, поступающий на одноименные входы счетчика кода частоты 23. Счетчик соответственно увеличивает или уменьшает значение кода управления мультиплексором 22, который изменяя номер подключаемого инвертора из кольца, образуемого инверторами 21 совместно с мультиплексором, меняет задержку прохождения сигнала по кольцу и соответственно частоту. Измененное значение частоты поступает в виде сигналов ЧИМ на базу транзистора прерывателя, меняя соответственно выходное значение на трансформаторе, которое после выпрямления и фильтрации вновь поступает на выход. Далее цикл контроля выхода и управления прерывателем повторяется. При такой реализации роль опорного источника выполняет не ИОН, не имеющий температурной стабильности, а кварцевый задающий генератор. Он совместно с регистром кода частоты заменяет используемый в известных решениях ИОН (стабилитрон). Одновременно из применения исключены другие проблемные с точки зрения долговременной температурной стабильности и радиационной стойкости элементы, а именно компараторы постоянного напряжения и операционные усилители. Что касается вновь введенного компонента - преобразователя напряжения в частоту, то его стабильность определяется двумя элементами - резистором и конденсатором, имеющими требуемую долговременную стабильность и радиационную стойкость, а транзистор в схеме преобразования работает не в линейном, а в ключевом режиме, что позволяет обеспечить его радиационную стойкость. Используемый в предлагаемом преобразователе элемент гальванической развязки (оптрон) также работает не в линейном, а в ключевом режиме, а использование для этой цели трансформатора радикально решает задачу обеспечения радиационной стойкости. Эти решения обеспечивает его работоспособность источника в экстремальных условиях в полях ионизирующего излучения. Непрерывное отслеживание значения выходного тока позволяет подключить источник непосредственно к датчикам объекта управления без дополнительных усилителей, так как благодаря непрерывному контролю и управлению ЧИМ компенсируются отклонения выходного тока от заданного номинала. Изменение тока потребления повлечет изменение выходного напряжения на измерительном шунте, которое будет возращено к номиналу работой формирователя импульсов ЧИМ.

Таким образом, в предлагаемом источнике стабильного тока устранены отмеченные недостатки известных решений, а именно обеспечена долговременная стабильность параметров точности преобразователя при работе в широком диапазоне изменения температур и в полях ионизирующего излучения, что обеспечивает применение предлагаемого преобразователя в БУВК систем управления авиационными и ракетно-космическими объектами, а также робототехническими комплексами.

Источник стабильного тока относится к области автоматики и может быть использован в системах автоматического управления, работающих в экстремальных условиях. Достигаемый технический результат - обеспечение долговременной стабильности параметров при работе в широком диапазоне изменения температур и в полях ионизирующего излучения. Источник стабильного тока содержит фильтр нижних частот, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором прерывателем, выпрямительный диод, входной фильтр, измерительный шунт, измерительные выводы которого подключены к преобразователю напряжения в частоту, выход которого через элемент гальванической развязки подключен к формирователю импульсов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

5 ил.

1. Источник cтабильного тока, содержащий фильтр нижних частот, отличающийся тем, что в его состав введены установленные перед фильтром последовательно соединенные входной фильтр, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором прерывателем и выпрямительный диод, а после фильтр нижних частот в выходную шину установлен измерительный шунт, измерительные выводы которого подключены к преобразователю напряжения в частоту, выход которого через элемент гальванической развязки подключен к формирователю импульсов, управляющий вход которого является входом источника, а выход подключен к базе транзистора прерывателя.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что входной фильтр содержит в плюсовой цепи диод, анод которого является входом, а катод - выходом фильтра, который через низкочастотный конденсатор подключен к минусовой шине, а обе шины и плюсовая и минусовая через свои высокочастотные конденсаторы подключены к шине земли.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что формирователь импульсов содержит группу последовательно включенных инверторов, подключенных выходами к входам мультиплексора, выход которого является выходом формирователя, и подключен к входу первого инвертора, и счетчик частоты, вход которого является входом формирователя, а выходы подключены к первым входам схемы сравнения, к стробирующему входу которой подключен выход модуля тактирования, которым к входам схемы сравнения подключены выходы регистра кода частоты, а ее инкрементный и декрементный выходы подключены к одноименным входам счетчика кода частоты, выходы которого подключены к управляющим входам мультиплексора, а его установочный вход и установочный вход регистра кода частоты являются установочным входом формирователя.

4. Источник по п.3, отличающийся тем, что модуль тактирования содержит первый, второй и третий генераторы импульсов, выходы каждого из которых подключены к своему, соответственно первому, второму и третьему блоку фазирования, фазирующий выход каждого из которых подключен к фазирующим входам двух других блоков и входу блока мажоритации, выход которого является выходом модуля.

5. Источник по п.4, отличающийся тем, что блок фазирования содержит элемент И, первый вход которого является входом блока, а выход подключен к входу счетчика, подключенного выходами к дешифратору, выход которого подключен к запускающему входу триггера останова, выход которого является фазирующим выходом блока и подключен ко второму входу элемента И и первому входу мажоритара, выход которого подключен к входу триггера пуска, подключенного выходом к сбрасывающему входу триггера останова, а второй и третий входы мажоритара подключены к выходам триггеров привязки, стробирующий вход которых объединен с первым входом элемента И, а входы являются фазирующими входами блока.