ИСТОЧНИК СТАБИЛЬНОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H03M1/66 H02M7/53 H03C3/14 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может применяться при создании аппаратуры систем управления объектами ракетно-космической техники (РКТ) и авиации, а также при создании аппаратуры систем управления робототехническими комплексами (РТК), 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 (БУВК), включающий, помимо Бортовой управляющей ЭВМ, преобразователи «Цифра-Аналог» и «Аналог-Цифра». Для корректной работы преобразователей широко применяются источники стабильного тока, обеспечивающие обтекание датчиков резисторного типа (датчики температуры, датчики обратной связи в исполнительных механизмах управления объектом: рулевыми машинками, соплами ориентации, заслонками двигательной установки, манипуляторами и т.п.).

Напряжение, снимаемое с датчиков, поступает далее на преобразователи напряжения в код, который используется управляющей ЭВМ для решения задач управления. Как правило, ток протекает последовательно через несколько датчиков, сопротивление которых непрерывно меняется, и обеспечение стабильности протекающего тока является обязательным условием обеспечения требуемой точности вычислений и управления объектом.

Задача усложняется неблагоприятными (чаще - экстремальными) внешними условиями и действием полей ионизирующего излучения. Как правило, к БУВК авиационных и ракетно-космических систем предъявляется жесткое формальное требование сохранять работоспособность и характеристики точности при возникновении одиночного отказа в любом из элементов системы при значительном изменении внешней температуры и воздействии полей ионизирующего излучения в течение длительного времени (требование радиационной стойкости).

Для формирования стабильного тока используют различные решения.

Так, например, в 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 при длительной работе даже в нормальных условиях, не говоря уже о работе в экстремальных условиях и в полях ионизирующего излучения.

В большей степени требованиям систем управления удовлетворяет Цифроаналоговый преобразователь (см. 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 ИОН, не обладающего требуемой радиационной стойкостью, 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 бортовой аппаратуре авиационных объектов и особенно космических аппаратов из-за жестких ограничений на массу и габариты аппаратуры. При основном источнике силового питания в виде солнечных батарей с аккумулятором, химическом (например, водородном) источнике энергии, генераторов тока с приводом от газовых турбин или атомных энергоустановок потребители получают достаточно мощный источник энергии с нестабильным выходным напряжением, на которое дополнительно накладываются пульсации от работы коммутационной аппаратуры. Все это 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 введение промежуточных усилителей, что снижает стабильность тока, безотказность и увеличивает массу аппаратуры системы управления. В космическом аппарате, где масса - одна из важнейших характеристик, введение дополнительной аппаратуры затруднительно, а в ряде случаев невозможно. Кроме того, введение дополнительных устройств снижает надежность - еще одну из важнейших характеристик бортовых систем управления.

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, несмотря на ряд достоинств, также свойственны недостаточная параметрическая устойчивость ИОН и операционных усилителей при работе в широком диапазоне изменения температуры в полях ионизирующего излучения (недостаточная радиационная стойкость). Наличие подстройки параметров только в процессе изготовления не обеспечивает сохранение значений подстроенных параметров в длительном основном режиме работы, так как будет «дрейф» параметров усилителя из-за изменения температуры внешней среды и дозовых явлений в структурах полупроводников. Кроме того, наличие механического переключателя цепей делает источник неустойчивым к механическим воздействиям - ударам и вибрациям, характерным для объектов РКТ и РТК.

Для устранения отмеченных недостатков предлагается Источник Стабильного Тока (далее по тексту Источник Тока, или просто Источник).

Источник содержит фильтр нижних частот (ФНЧ) и дополнительно введенный измерительный шунт, включенный после него последовательно в выходную цепь. Кроме того, в состав источника введены последовательно соединенные и установленные перед ФНЧ: фильтр, вход которого является силовым входом Источника, трансформатор, в первичную обмотку которого включен транзистор-прерыватель, а после вторичной обмотки перед ФНЧ установлен выпрямляющий диод. С измерительных выходов измерительного шунта снимается контрольное напряжение. Эти выходы подключены к входам преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ). Выход ПНЧ через элемент гальванической развязки подключен к входу частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), установочный вход которого является одноименным (установочным) входом Источника, подключенным к бортовой управляющей ЭВМ. Выход ЧИМ подключен к базе транзистора- прерывателя.

ЧИМ содержит последовательно включенные инверторы. Выход каждого инвертора подключен к соответствующему входу мультиплексора, выход которого является выходом ЧИМ и подключен к входу первого инвертора. В составе ЧИМ имеется счетчик частоты, вход которого является входом ЧИМ, подключенным к выходу элемента гальванической развязки. Выходы счетчика частоты подключены к первым входам схемы сравнения. Ко вторым входам схемы сравнения подключены выходы регистра кода частоты, а к стробирующему входу схемы сравнения подключен выход модуля тактирования (МТ). Инкрементный и декрементный выходы схемы сравнения подключены к одноименным входам счетчика кода частоты, подключенного выходами к управляющим входам мультиплексора. Установочный вход счетчика кода частоты и установочный вход регистра кода частоты являются установочным входом ЧИМ.

МТ содержит первый, второй и третий генераторы импульсов, стабилизированные кварцем. Выход каждого генератора импульсов подключен к входу своего блока фазирования (БФ), соответственно первого, второго и третьего. Фазирующий выход каждого блока БФ подключен к фазирующим входам двух других блоков БФ и к входу мажоритара, выход которого является выходом модуля МТ.

Блок фазирования БФ содержит элемент И, первый вход которого является входом блока БФ, подключенным к выходу соответствующего генератора импульсов. Выход элемента И подключен к входу выполненного на динамических триггерах динамического счетчика, выход которого подключен к входу дешифратора. Дешифратор подключен выходом к запускающему входу триггера останова, выход которого является фазирующим выходом блока БФ и подключен ко второму входу элемента И, а также к первому входу мажоритарного элемента, выход которого подключен к входу триггера пуска. Выход триггера пуска подключен к сбрасывающему входу триггера останова. Ко второму и третьему входам мажоритарного элемента подключены выходы триггеров привязки, стробирующий вход которых объединен с первым входом элемента И, а входы являются фазирующими входами блока БФ.

Фильтр содержит включенный на входе в плюсовую шину диод, анод которого является входом, а катод выходом. Между катодом и минусовой шиной установлен низкочастотный сглаживающий конденсатор, а обе шины через свои высокочастотные конденсаторы подключены к шине земли.

Динамический триггер реализован как транзисторный усилитель с прямым и инверсным выходами. К базе транзистора этого усилителя, помимо резисторного делителя, задающего рабочую точку, подключена LC цепь, являющаяся элементом памяти, индуктивность которой содержит 2 обмотки: основную и намотанную поверх нее встречно-компенсационную, концы которой закорочены.

Источник может быть реализован следующим образом.

В качестве преобразователя напряжения в частоту можно использовать микросхему ADFC 32 фирмы Analog Devices или ее аналог, в качестве элемента гальванической развязки - планарный трансформатор или оптрон 249ЛП5, работающий в импульсном режиме. ЧИМ можно реализовать в виде БИС на основе базового матричного кристалла 537ХМ2.

Чертежи источника и входящих в него блоков, узлов и элементов приведены на фигурах с 1 по 6.

На фигуре 1 приведен состав источника, где цифрами 1-1 и 1-2 обозначены соответственно фильтр и фильтр нижних частот, цифрой 2 обозначен трансформатор, цифрой 3 - преобразователь напряжения в частоту, цифрой 4 обозначен элемент гальванической развязки, цифрой 5 - ЧИМ и цифрой 6 обозначен транзистор-прерыватель.

На фигуре 2 приведен ЧИМ, где цифрами 21 обозначены инверторы, цифрами 22 - мультиплексор, цифрами 23 обозначен счетчик кода частоты, цифрами 24 - схема сравнения, цифрами 25 и 26 обозначены соответственно регистр кода частоты и счетчик частоты и цифрами 27 обозначен модуль тактирования.

Модуль тактирования показан на фигуре 3, где цифрами 31-1, 31-2 и 31-3 обозначены первый, второй и третий генераторы импульсов. Цифрами 32-1, 32-2 и 32-3 обозначены первый, второй и третий блоки фазирования. Цифрами 33 обозначен мажоритар.

На фигуре 4 приведен блок фазирования. Здесь цифрами 41 обозначен элемент И, цифрами 42 - динамический счетчик, цифрами 43 - дешифратор, цифрами 44 обозначен триггер останова, цифрами 45 обозначен триггер пуска, цифрами 46 - мажоритарный элемент и цифрами 47 обозначены триггеры привязки.

На фигурах 5 и 6 приведены соответственно фильтр и динамический триггер соответственно.

Источник работает следующим образом.

После появления силового питания во всех регистрах и счетчиках ЧИМ по внутренней схеме сброса/пуска устанавливаются коды, соответствующие исходному выходному и току, например, нулевому. После записи бортовой ЭВМ установочного кода в ЧИМ последний формирует соответствующий номинал частоты 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 Источника. При протекании тока через измерительный шунт на его выводах появляется напряжение, пропорциональное величине протекающего тока.

Это напряжение посредством ПНЧ преобразуется в частоту, поступающую на вход частотно-импульсного модулятора, где, пройдя счетчик частоты, частота в виде кода поступает на первые входы схемы сравнения, на вторые входы которой поступает код эталонной частоты с выхода регистра кода частоты, на котором он хранился после получения от бортовой ЭВМ по установочному входу. Схема сравнения с помощью сигнала стробирования, формируемого из стабильной частоты кварцевых генераторов модуля тактирования, сравнивает коды частоты на первых и вторых входах и в зависимости от знака разности (результата сравнения) формирует сигнал инкрементации или декрементации, поступающий на одноименный вход счетчик кода частоты, который соответственно увеличивает или уменьшает значение кода управления мультиплексором. Мультиплексор, изменяя номер подключаемого инвертора из кольца, образуемого инверторами совместно с мультиплексором, меняет задержку прохождения сигнала по кольцу и соответственно частоту выходного сигнала ЧИМ. Измененное значение частоты с выхода ЧИМ поступает на базу транзистора прерывателя, меняя соответственно выходное значение тока и напряжения на трансформаторе, которое после выпрямления и фильтрации вновь поступает на выход Источника. Далее цикл контроля тока на выходе Источника и управления транзистором прерывателем повторяется.

При такой реализации роль опорного источника выполняет не ИОН, не имеющий температурной стабильности и радиационной стойкости, а кварцевый генератор импульсов (входящий в модуль тактирования). 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 Источника Тока работает не в линейном, а в ключевом режиме, что обеспечивает совместно с технологическими мерами при изготовлении 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 планарного трансформатора радикально решает задачу обеспечения радиационной стойкости.

В совокупности эти решения обеспечивают 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 со стороны ЧИМ компенсируются отклонения выходного тока от заданного номинала. Изменение тока потребления повлечет изменение выходного напряжения на измерительном шунте, и значение выходного тока Источника будет возращено к номиналу работой частотно - импульсного модулятора.

Таким образом, в предлагаемом Источнике Стабильного Тока устранены отмеченные недостатки известных решений, а именно обеспечена долговременная стабильность выходных параметров источника тока при работе непосредственно на нагрузку в широком диапазоне температур в полях ионизирующего излучения. Это обеспечивает применение предлагаемого Источника Тока в аппаратуре систем управления авиационными объектами и объектами РКТ, а также в составе РТК, работающих в экстремальных условиях.

Источник стабильного тока относится к автоматике и вычислительной технике и может использоваться в составе систем автоматического управления, работающих в экстремальных условиях и полях ионизирующего излучения. Достигаемый технический результат - обеспечение долговременной стабильности выходных параметров при работе непосредственно на нагрузку в широком диапазоне температур в полях ионизирующего излучения. Источник стабильного тока содержит последовательно включенные фильтр, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором-прерывателем и выпрямляющим диодом во вторичной обмотке, после которого установлен фильтр нижних частот с измерительным шунтом в выходной токовой цепи, измерительные выходы которого подключены к преобразователю напряжения в частоту, выходная частота которого поступает через элемент гальванической развязки на вход частотно-импульсного модулятора, управляющего частотой переключения транзистора-прерывателя. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник стабильного тока, содержащий фильтр нижних частот, отличающийся тем, что перед этим фильтром последовательно включены фильтр, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором- прерывателем и выпрямляющим диодом во вторичной обмотке, а на выходе фильтра нижних частот установлен шунт, измерительные выходы которого подключены к преобразователю напряжения в частоту, выход которого через элемент развязки подключен к входу частотно-импульсного модулятора, установочный вход которого является одноименным входом источника, а выход подключен к базе транзистора прерывателя.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что фильтр содержит в плюсовой шине диод, анод которого является входом фильтра, а катод -выходом, причем между катодом и минусовой шиной включен низкочастотный конденсатор, а катод и минусовая шина, кроме того, через свои низкочастотные конденсаторы подключены к шине земли.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что частотно-импульсный модулятор содержит несколько последовательно включенных инверторов, подключенных выходами к входам мультиплексора, выход которого подключен к входу первого инвертора и является выходом модулятора, вход которого является входом счетчика частоты, подключенного выходами к первым входам схемы сравнения, к стробирующему входу которой подключен выход модуля тактирования, ко вторым входам подключены выходы регистра кода частоты, а инкрементный и декрементный выходы этой схемы сравнения подключены к одноименным входам счетчика кода частоты, подключенного выходами к управляющим входам мультиплексора, при этом установочные входы регистра кода частоты и счетчика кода частоты являются одноименным входом частотно-импульсного модулятора.

4. Источник по п.3, отличающийся тем, что модуль тактирования содержит первый, второй и третий высокостабильные генераторы, выход каждого из которых подключен к входу своего, соответственно первого, второго и третьего блока 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 реализованного на динамических триггерах счетчика, выходы которого через дешифратор подключены к запускающему входу триггера останова, выход которого является фазирующим выходом блока и подключен ко второму входу элемента И и первому входу мажоритарного элемента, подключенного выходом к входу триггера пуска, подключенного выходом к сбрасывающему входу триггера останова, а ко второму и третьему входам мажоритарного элемента подключены выходы триггеров привязки, вход каждого из которых является фазирующим входом блока.

6. Источник по п.5, отличающийся тем, что динамический триггер выполнен как транзисторный усилитель, к базе транзистора которого помимо резисторного делителя в качестве элемента памяти подключена LC цепь, индуктивность которой имеет рабочую обмотку и намотанную поверх нее встречно-компенсационную обмотку, концы которой закорочены.