Управляемый стабилизированный источник постоянного тока Советский патент 1982 года по МПК G05F1/54 

(5) УПРАВЛЯЕМЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЬГЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

I

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемым источникам питания, и преимущественно предназначено для использования в качестве стабилизированного источника постоянного тока, быстро управляемого по определенной программе, например для питания электромагнитных систем управления СВЧ-устройствами на основе резонаторов из сфер монокристалла феррита.

Известны источники постоянного тока со стабилизацией на основе преобразователей ток-магнитное поле, включенных в цепь управляемого источника постоянногс) тока последовательно с нагрузкой, и датчиков магнитного поля, помещенных в магнитное поле указанных преобразователей и связанных с управляемым источником постоянного тока цепью обратной связи. В качестве преобразователя токмагнитное поле использована катушка

индуктивности, а датчиком магнитного поля является чувствительный элемент квантового магнитного интерфероматра, помещенный в магнитное поле катушки индуктивности ГОНедостатком такого источника постоянного тока является невозможность управлять током в нагрузке в широких пределах и большая постоянная времени цепи управления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее задающие ключи и аналоаго-цифровой преобразователь, выводы которых подключены ко входам синтезатора частоты ( источника опорных частот). Выход синтезатора частоты подключен ко входу датчика магнитного поля на основе элемента с ядерным магнитным резонансом (ЯМР), помещенного в магнитное поле преобразователя ток-магнитное поле. Выход датчика соединен с входом регулируемого источника тока (основ39ного)|В выходную цепь которого последовательно с нагрузкой включены катушка (основная) преобразователя ток - магнитное поле и эталонное сопротивление о Преобразователь токмагнитное поле выполнен в виде постоянного магнита с полюсами, на которых расположена катушка для изменения магнитного поля выходным током устройства, и установлен в термостат для уменьшения температурной нестабильности 2. Недостатком известного устройства является низкая скорость перестройки по сигналу управления, что вызвано низкой скоростью переключения синтезатора частоты, малой скоростью изме нения выходного тока, обусловленной инерционностью изменения магнитного поля в преобразователе ток-магнитное поле и длительным временем выхода на рабочий режим, связанным с прогревом термостата. Цель изобретения - повышение ско рости перестройки по сигналу управления. Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее источник опорных частот, соединенный с датчиком магнитного поля, маг нитно связанным с преобразователем ток - магнитное поле . и регулируемый источник тока ( основной), выход которого соединен через катушку (ос новную) преобразователя ток-ма1- нитное поле с выходной клеммой, а вход соединен с выходом датчика маг нитного поля и цифро-аналоговый пре образователь СЦАП), введены дополни тельный регулируемый источник тока, соединенная с его выходом дополнительная катушка преобразователя то магнитное поле, включенная по магнитному полю встречно по отношению к основной катушке, выходы младших разрядов цифро-аналогового преобразователя соединены со входом дополнительного регулируемого источника тока,а со вхоДом основного регулируем го источника тока соединены выходы всех разрядов, причем источник опир ных частот выполнен в виде генератора гармоник. При этом преобразователь токмагнитное поле выполнен в виде эле тромагнита с рабочим зазором а ярме магнитопровода, а датчик магнитного поля выполнен на основе резонатора из сферы монокристалла феррита, на 4 пример железо-иттриевого граната далее в тексте такой резонатор будет называться ЖИГ-резонатор, который установлен в рабочий зазор электромагнита и ориентирован по кбазиизотропной оси. В состав датчика магнитного поля кроме ЖИГ-резонатора входят амплитудный детекторJ подключенный к выходу КИГ-резонатора, фазочувствйтельный усилитель, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а выход через фильтр нижних частот соединен со входом основного регулируемого источника тока, а также модуляционная катушка, установленная в рабочем зазоре электромагнита соосно с ЖИГ-резонатором, и модуляционный генератор, выход которого соединен с модуляционной катушкой и с опорным входом фазочувствительного усилителя причем, выход источника опорных частот соединен с датчиком магнитно™ го поля, входным элементом которого является КИГ-резонатор. Благодаря управлению выходным током с помощью цифро-аналогового преобразователя при использовании неперестраиваемого источника опорных частот-генератора гармоник, исключается необходимость в переключении опорных частот, а следовательно повышается скорость изменения выходного тока устройства, т.е. уменьшается его постоянная времени. За счет того, что с изменением сигнала на выходе ЦАП, величина выходного Toka основного регулируемого источника тока 1 величина выходного тока устройства)) изменяется одновременно с изменением тока дополнительного регулируемого источника тока, а дискреты перестройки датчика магнитного поля по обоим источникам установлены одинаковыми, причем магнитные поля катушек.(основной и дополнительной) преобразователя ток-магнитное поле направлены встречно, уменьшается инерционность, связанная с изменением магнитного поля в рабочем зазоре преобразователя ток - магнитное поле, а следовательно увеличивается скорость изменения выходного тока по входному сигналу, т.е. уменьшается постоянная времени устройства. За хчет выполнения преобразователя токмагнитное поле в виде электромагнита, а датчика магнитного поля на основе ЖИГ-резонатора и ориентации

ЖИГ-резонатора в магнитном поле электромагнита по квазиизотропной оси, обеспечивается компенсация температурной нестабильности преобразователя ток-магнитное поле что позволяет исключить из устройства термостат, а это обеспечивает сокращение времени готовности устройств к работе с момента включения т.е. уменьшает постоянную времени устройства в режиме включения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Управляемый стабилизированный источник постоянного тока содержит источник 1 опорных частот, выход которого соединен с датчиком 2 магнитного поля, связанным с преобразователем 5 ток-магнитное поле и регулируемый источник тока (основной), выход которого последовательно соединен с катушкой (основной 5 преобразователя 3 ток-магнитное поле и с нагрузкой 6, а вход соединен с выходом датчика 2 магнитного поля. Устройство также содержит дополнительный регулируемый источник 7 тока соединенную с его выходом дополнительную катушку 8 преобразователя 3 ток - магнитное поле, включенную встречно по отношению к основной катушке 5 и ЦАП 9, аналоговый выход которого, соответствующий младшим разрядам цифрового входа, соединен со входом дополнительного регулируемого источника 7 тока, а аналоговый выход, соответствующий всем разрядам ЦАП, соединен с входом основного регулируемого источника 4 тока. Источник 1 опорных частот 1 выполнен в виде генератора гармоник, например кварцевого генератора с высоким уровнем гармоник. При этом число старших разрядов ЦАП 9 определяется числом гармоник опорного генератора 1, используемых для стабилизации выходног тока. Так, например, при использовании только одной гармоники все разряды ЦАП относятся к младшим, а при использовании, например, двадцати гармоник ЦАП содержит пять двоичных разрядов, которые являются старшими и не влияют на ток дополнительного источника 7. Число младших разрядов устанавливается в зависимости от требуемой разрешающей способности устройства по выходному току. Так при требовании разрешаащай способности По выходному току не хуже 1 от интервала изменения тока, соответст вующего двум соседним гармоникам источника 1 опорных частот, требуется семь младших разрядов. Аналоговый сигнал ЦАП 9, соответствующи этим разрядам, воздействует на оба регулируемых источника и 7.

. Преобразователь ток-магнитное поле 3 выполнен .в виде электромагнитг с рабочим зазором в ярме магнитрпровода 10, а датчик 2 магнитного поля содержит ЖИГ-резонатор It, к выходу которого подключен амплитудный детектор 12, фазочувствительный усилитель 13, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора 12, а выход через фильтр И нижних частот соединен с входом основного регулируемого источника k тoкa а также модуляционную катушку 15 установленную в рабочем зазоре электромагнита 3 соосно с ЖИГ-резонатором 1}, и модуляционный генератор 1б, выход которого соединен с модуляционной катушкой 15 и с опорным входом фазочувствительного усилителя 13, ЖИГ-резонатор, являющийся исходным элементом датчика 2 магнитного поля, св,язан с выходом генератора 1 гармоник, кроме того ЖИГ-резонатор 11 ориентирован в магнитном поле рабочего зазора магнитопровода 10 по квазиизотропной оси.

Для того, чтобы не ухудшилась стабильность выходного тока за счет нестабильности дополнительного регулируемого источника 7 тока, крутизна перестройки ЖИГ-резонатора 11 по дополнительной катушке 8 установлена во столько раз меньше крутизны перестройки по основной катушке 5, во сколько раз требуемая нестабильность выходного тока устройства меньше нестабильности дополнительного регулируемогр источника 7 тока.

Коэффициенты передачи регулируемых источников тока установлены такими, что дискреты перестройки ЙИГ-резонатора по каждому из источников в отдельности одинаковы, а максимальному изменению кода младших разрядов ЦАП соответствует перестройка ЖИГ-резонатора по каждому из источников на величину частотного интервала между соседними гармониками генератора 1 опорных частот.

Работа устройства осуществляется следующим образом. 9 При нулевом коде на входе ЦАП 9 устанавливается нулевой, либо некоторый начальный ток с катушки 8, под ключенной к дополнительному источнику 7 тока, а также начальный выходной ток, действующий на выходе источника i, в катушке 5 и нагрузке 6. При этом ЙИГ-резонатор 11 настроен на первую гармонику ( имеется в виду первая из рабочих гармоник, а не основная гармоника генератора источника 1 опорных частот, а кольцо обратной связи поддерживает высокую точность и стабильность этой настрой ки, так как стабильность источника опорных частот на несколько порядков выше стабильности обычных источников тока. Кольцо обратной связи работает следующим образом. Магнитное поле модуляционной катушки 15 накладывает я на магнитное поле преобразоваеля 3 ток - магнитное поле и обес печивает качание частоты настройки ЖИГ-резонатора 11 с частотой модуляционного генератора 16, вследствие этого сигнал источника 1 опорных час тот с частотой первой рабочей гар, МОНИКИ при прохождении через ЖИГ-резонатор П модулируется по амплитуде, причем амплитуда и фаза огибающей амплитудно-модулированного си1- нала зависит от величины и знака рас стройки по частоте между гармоникой источника 1 опорных частот и ЖИГ-резонатором 11. Продетектированный детектором 12 сигнал поступает на фазочувствительны й усилитель 13, где он усиливается и сравнивается по с сигналом модуляционного генератора 1б. В результате этого на выходе фазочувствительного усилителя 13 имеет место напряжение рассогласования, постоянная составляющая которого по величине и знаку соответст вует частотной расстройке между ЖИГрезонатором 11 и гармоникой источника 11 опорных частот. Напряжение рассогласования с выхода фазочувствительного усилителя 13 через фильтр lA нижних частот поступает на вход регулируемого источника тока и вызывает изменение выходного тока так, что частотная расстройка уменьшается „ ДО некоторой остаточной величины. Таким образом, за счет поддержания точной настройки ЖИГ-резонатора 11 на выгокостабильную гармонику источ18ника 11 опорных частот поддерживается высокая стабильность выходного тока устройства. При увеличении значения кода на выходе ЦАП 9 происходит одновременное изменение выходного тока и тока дополнительного источника 7, но за счет того, что дискреты перестройки ЖИГ-резонатора по каждому из источников и 7 тока одинаковы, а катушки 5 и 8 по магнитному полю .в рабочем зазоре электромагнита преобразователя 3 включены встречно, ЖИГрезонатор 11 остается настроенным на -первую гармонику генератора 1, в то время как выходной ток быстро изменяется. При этом скорость изменения тока не ограничивается инерционностью преобразователя, как это имеет место в известном устройстве так как поле в зазоре остается постоянным. При установке входного кода на фиксированном значении кольцо обратной связи продолжает осуществлять томную привязку частоты ЖИГ-резонатора 11 к частоте первой гармоники источника 11 опорных частот, обеспечивая стабилизацию выходного тока. Так происходит до тех пор,пока все младшие разряды,аналоговый выход которых соединен со входом дополнительного регулируемого источника 7, не примут значение 1 /при двоичном коде управления). Г1ри дальнейшем увеличении входного кода еще на единицу младшего разряда все младшие разряды ЦАП 9 обнуляются, и ток дополнительного источника 7 в катушке 8 возвращается к нулевой либо начальной величине. Поскольку максимальное изменение тока в катушке 8 (при максимальном изменении кода младших разрядов ) соответствует перестройке ЖИГ-резонатора 11 между соседними гармониками источника 1 опорных частот, то выходной ток в катушке 5 соответствует настройке ЖИГ-резонатора 11 на вторую гармонику источника 1 опорных частот, а кольцо обратной связи обеспечивает удержание ЖИГ-резонатора 11 на второй гармонике источника 1 опорных частот. Аналогично происходит перестройка ЖИГ-резонатора 11 на любую другую рабочую гармонику источника 1 опорных частот. Таким образом, при обеспечении высокой стабильности выходного токч 9 устройство позволяет управлять током в нагрузке в широком интервале значений и с высокой скоростью. По тоянная времени устройства уменьше на за счет исключения перестройки источника опорных частот, уменьшен инерционности магнитного поля преобразователя ток-магнитное поле, а также сокращения времени выхода н рабочий режим после включения, что обеспечивается компенсацией температурной нестабильности преобразователя ток-магнитное поле. В известном устройстве время переходног процесса (постоянная времени устрой ства) зависит от суммы постоянных в мени двух процессов: переключения синтезатора частоты и перестройки датчика магнитного поля на новую ча тоту синтезатора. Время перестройки с одной частоты на другую в современных синтезаторах частоты составляет 0-50 мс, в то время как постоянная времени электромагнита для перестройки ЖИГ-резонатора имеет значение порядка 1 мс. В этом случа время переходного процесса при перестройке ЖИГ-резонатора составляет 3 мс, а следовательно постоянная времени устройства только за счет исключения перестройки синтезатора (источника опорных частот) уменьшена не менее чем в 15 раз. При управлении током внутри полдиапазона - при изменении цифрового кода только на входе младших разрядов ЦАП за счет встречного включени основной и дополнительной обмоток электромагнита изменение общего ма|- нитного потока электромагнита обусловлено лишь изменением магнитного потока рассеяния, величина которого зависит от конструкции и не превышает 2-3 от общего магнитного потока, а следовательно постоянная времени в этом случае уменьшается еще в 30-50 раз. Формула изобретения 1. Управляемый стабилизированный источник постоянного тока, содержащий источник опорных частот, выхо которого соединен с датчиком магнитного поля, магнитно свя.занным с прербразователем ток-магнитное пол основной источник тока, выход которого через основную катушку пре110образователя ток-магнитное поле соединен с выходной клеммок, а вход соединен с выходом датчика магнитного поля, и цифро-аналоговый преобразователь, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорое ти перестройки по сигналу управления, в него введены дополнительный регулируемый источник тока, дополнительная катушка преобразователя ток-магнитное поле а основной источник тока выполнен также регулируемым, причем дополнительная катушка, соединенная с выходом дополнительного регулируемого источника тока, включена по магнитному полю встречно по отношению к основной катушке вход дополнительного регулируемого источника тока соединен с аналоговым выходом, соответствующим младшим разрядам цифрового входа цифро-аналогового преобразователя, а вход основного регулируемого источника соединен с аналоговым выходом, соответствующим цифровым входам всех разрядов цифро-аналогового преобразователя, при этом источник опорных частот выполнен в виде генератора гармоник. , 2. Источник по П.1, отличающийся тем, что преобразователь ток-магнитное поле выполнено в виде электромагнита с рабочим зазором в ярме магнитопровода, а датчик магнитного поля выполнен на основе резонатора из сферы монокристалла железо-иттриевого граната, выходом соединенного через амплитудный детектор с одним из входов фазочувствительного усилителя, другой вход которого через модуляционный генератор соединен с модуляционной катушкой, установленной в рабочем зазоре электромагнита соосно с резонатором, причем выход фазочувствительного усилителя через фильтр нижних частот подключен к выходу датчика магнитного поля, .входом которого ;;лужит резонатор. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР N 479097, кл. G 05 F , 1975. 2. Авторское свидетельство СССР ° , кл. G 05 F 1/22, 1970.

4

г

гп

л:П

.

tiffflftn

13