КОМПАКТНЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Полезная модель относится к автоматике и импульсной технике и может применяться при создании источников вторичного электропитания (ИВЭП) 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 ИВЭП предъявляются повышенные требования по надежности работы и сохранения точности параметров 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. Важным требованием являются и минимальные объемно-массовые характеристики (ОМХ).
При проектировании современных ИВЭП, как правило, используют принцип широтно-импульсной модуляции, позволяющий производить оптимальную фильтрацию выходного напряжения. Модуляцию осуществляет микросхема управления (далее ШИМ или ШИМ-контроллер): в зависимости от сигнала с обратной связи скважность сигнала уменьшается или увеличивается, вследствие чего транзистор-прерыватель источника питания передает в нагрузку больше или меньше энергии.
Известна полезная модель «Широтно-импульсный модулятор с обратной связью» (патент RU №76525, Н03К3/033), состоящая из фотодиода обратной связи, конденсатора, группы резисторов, двунаправленного ключа, логического элемента 2ИЛИ и диода. Недостатком данного ШИМ является то, что хоть при его разработке и задействовано мало электронных компонентов, для обеспечения работоспособности ИВЭП необходимо дополнение полезной модели генератором тактовых импульсов (ведет к увеличению ОМХ). Кроме того, при больших входных напряжениях ИВЭП необходимо дополнение данного ШИМ блоком питания во избежание выхода из строя полупроводниковых компонентов. Для организации обратной связи используется фотодиод, применение которого в условиях ионизационного излучения невозможно.
Известна также полезная модель «Широтно-импульсный модулятор» (патент RU №25231, G05F 1/56), у которой для организации обратной связи можно использовать датчик тока, включая его последовательно с транзисторным ключом-прерывателем ИВЭП. Недостатком данного типа обратной связи (обратная связь по току) является то, что на выходе ИВЭП будет наблюдаться значительные отклонения номинала выходного напряжения от среднего значения. Кроме того, датчик тока включен между ограничительным и вторым резистором, что усложняет реализацию «классического» варианта обратной связи по току в ИВЭП, построенных по типу однотактных преобразователей (установка датчика тока между «землей» и силовым ключом). Применение данного изобретения в неблагоприятных условиях также осложняется наличием подстроечного резистора (регулирующий элемент).
Наиболее полно поставленную задачу решает микросхема UCC2897, которая может быть взята за прототип. В микросхему заложены все необходимые функции для реализации ИВЭП, но при выполнении данного ШИМ на отечественной элементной базе, пригодной для функционирования устройства в целом в жестких полях ионизационного излучения, получаются ОМХ, большие, чем в рассмотренных выше вариантах. Для решения поставленных задач предлагается компактный широтно-импульсный модулятор.
Описание существа полезной модели.
Компактный широтно-импульсный модулятор состоит из (см. фиг.1) блока питания 1, генератора пилообразных импульсов 2, компаратора 3 и выходного драйвера 4. Первый (высокое входное напряжение) и второй (низкое входное напряжение) входы блока питания 1 являются соответствующими входами устройства. Низковольтный выход блока питания 1 соединен со входами питания генератора пилообразных импульсов 2 и компаратора 3. Высоковольтный выход блока питания 1 соединен со входом питания выходного драйвера 4. Выход генератора пилообразных импульсов 2 соединен с первым входом компаратора 3. Второй вход компаратора 3 является третьим входом устройства (на него подается сигнал ошибки, формируемый обратной связью источника питания). Выход компаратора 3 соединен со входом выходного драйвера 4. Выход выходного драйвера 4 является выходом устройства.
Генератор пилообразных импульсов в свою очередь состоит из (см. фиг.2) триггера 5, блока смещения 6, генератора постоянного тока 7, блока установки частоты 8. Вход питания генератора пилообразных импульсов подключен к триггеру 5 и к генератору постоянного тока 7. Выход триггера 5 соединен со входом блока смещения 6. Выход блока смещения 6 соединен со входом генератора постоянного тока 7. Выход генератора постоянного тока 7 соединен со входом блока установки частоты 8. Выход блока установки частоты соединен со входом триггера 5 и является выходом генератора пилообразных импульсов.
Блок питания (см. фиг.3) состоит из блока переключения 9, блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. Первый и второй входы блока переключения 9 являются соответствующими входами блока питания. Выход блока переключения 9 подключен ко входам блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. К управляющему входу блока переключения 9 подключен выход блока управления 10. Первый вход блока управления 10 подключен ко второму входу блока переключения и, соответственно, является вторым входом блока питания, второй вход блока управления подключен к выходу источника опорного напряжения 12. Выход блока опорного напряжения подключен ко входам блока низковольтного питания 11 и блока высоковольтного питания 13. Выходы блока низковольтного питания 11 и блока высоковольтного питания 13 являются соответствующими выходами блока питания.
Блок смещения (см. фиг.4) представляет собой последовательно включенные разделительный конденсатор, токоограничительный резистор и встречно включенные диоды.
Блок установки частоты построен следующим образом (см. фиг.5): выход генератора постоянного тока соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с частотозадающим конденсатором и одновременно является выходом блока установки частоты, а второй вывод конденсатора подключен к шине «земля».
Компактный широтно-импульсный модулятор работает следующим образом.
В момент появления питания на первом входе устройства на выходе блока переключения 9 формируется напряжение питания блока управления 10, блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12, блока высоковольтного питания 13. После формирования опорного напряжения блоком опорного напряжения 11 (стабилитрон или стабилизатор напряжения типа 142ЕН) на выходе блока низковольтного питания 11, источника опорного напряжения 12 (могут быть выполнены на ОУ или компараторе, например 1481 СА2Т, стойком к воздействию ионизационного излучения по схемотехнике микросхемы LM431) формируется стабильное напряжение питания. Одновременно с этим блок управления 10 сравнивает напряжение на втором входе устройства с опорным напряжением и, в случае превышения входным напряжением заданного значения, переключает питание устройства на выход 2 (данным режим обеспечивает больший КПД ИВЭП).
При появлении напряжения питания в генераторе пилообразных импульсов 2 триггер 5 напряжение логической единицы на выходе, при этом на выходе блока смещения 6 формируется отрицательный уровень. В результате генератор постоянного тока 7 (может быть выполнены на ОУ или компараторе, например 1481 СА2Т, стойком к воздействию ионизационного излучения) начинает заряжать частотозадающую емкость блока установки частоты 8. После достижения на частотозадающей емкости установленного уровня триггер 5 переключается. На его выходе формируется уровень логического нуля, на выходе блока смещения формируется положительный уровень, а генератор постоянного тока переключается в режим разряда частотозадающей емкости блока установки частоты 8. При достижении установленного уровня напряжения на частотозадающей емкости триггер 5 переключается в исходное состояние и цикл повторяется. При изменении сопротивления токоограничительного резистора блока смещения 6 изменяется входное напряжение генератора постоянного тока, а следовательно и угол наклона выходного пилообразного импульса. При изменении емкости частотозадающего конденсатора блока установки частоты 8 изменяется частота работы устройства.
При достижении сигналом генератора пилообразного напряжения 2 уровня третьего входного сигнала (сигнал с обратной связи ИВЭП) на выходе компаратора 3 (например, 1481 СА2Т) устанавливается уровень логической единицы. Далее, при снижении сигнала генератора пилообразного напряжения 2 уровня третьего входного сигнала (сигнал с обратной связи ИВЭП) на выходе компаратора 3 устанавливается уровень логической нуля (логика работы компаратора может быть инверсной в зависимости от структуры обратной связи ИВЭП).
Выходной драйвер 4 усиливает выходной сигнал компаратора 3 по мощности, позволяя управлять силовым ключом источника питания. Необходимо отметить, что при выполнении устройства на базовом матричном кристалле (например, К1451БК1У), можно добиться не только значительного уменьшения габаритов, но и повышения уровня стойкости к внешним воздействующим факторам.
Таким образом, в предлагаемом широтно-импульсном модуляторе 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, а также обеспечены меньшие ОМХ по сравнению с ранее существующими устройствами. Данные факты позволяют применять предлагаемый ШИМ в ИВЭП систем управления авиационными и ракетно-космическими объектами, а также робототехническими комплексами.