КОНФИГУРАЦИЯ СХЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СИГНАЛА, МОДУЛИРОВАННОГО ПО ШИРИНЕ ИМПУЛЬСА, ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
CONFIGURATION OF CIRCUIT TO GENERATE SIGNAL MODULATED ALONG PULSE WIDTH, TO EXCITE ELECTRIC LOADS

Настоящее изобретение, в целом, относится к питанию и регулировке источников света, в частности, источников света, принадлежащих к осветительным системам, применяемым в авионике, и, еще конкретнее, к конфигурации схемы для возбуждения, модулированного по ширине импульса, источника света.
СИД все более широко используются вместо ламп накаливания в качестве источников света для подсветки приборной панели в кабине пилота.
Для достижения необходимого большого динамического диапазона яркости требуется разработать электрическую схему управления, которая отличается от традиционной схемы, предназначенной для ламп накаливания, которая представляет собой простой источник напряжения. Стандартное решение состоит в возбуждении нагрузки (источника света на основе СИД) посредством сигнала, модулированного по ширине импульса (ШИМ), и отличается свойством объединения в одном сигнале возбуждения подачи энергии на источник и регулировки его яркости (интенсивности и спектра) за счет изменения электрических параметров напряжения (или тока) возбуждения и коэффициента заполнения.
Сигнал возбуждения (питание и управление) генерируется схемой возбуждения напряжения, которая, фактически, реализует преобразование энергии из непрерывного сигнала питания в сигнал, модулированный по ширине импульса, и должна отвечать заранее определенным требованиям безопасности (защита от короткого замыкания), простоты (меньшее количество компонентов и меньший размер схемы), надежности и соответствия требованиям электромагнитной совместимости.
Схема возбуждения ШИМ конкретно предназначена для возбуждения СИД, применяемых в авионике, но также должна отвечать другим требованиям, например, большого динамического диапазона яркости (отношения максимальной и минимальной яркости) около 4000 или даже больше, возможности регулировки яркости в соответствии различными необходимыми функциями освещения, и емкости для возбуждения нелинейной нагрузки (при напряжении возбуждения ниже порога, СИД не горит) и переменной нагрузки (с потребляемым током от нескольких мА до 1-3 А) в соответствии с количеством включаемых источников света.
Для достижения необходимого большого динамического диапазона необходимо регулировать амплитуду сигнала управления и одновременно модулировать его по ширине импульса.
Кроме того, схема возбуждения должна быть способной принимать переменное напряжение питания в соответствии с различными правилами, регулирующими предусмотренное применение (DO-160E, MIL-STD-704 и т.д.).
В частности, оборудование, предназначенное для обеспечения линии подачи напряжения питания ШИМ для применения в авионике, обычно запитывается по внешней линии питания. Эта линия может подвергаться колебаниям рабочего напряжения, паразитным импульсам высокой энергии и аномальным переходным процессам (например, в линиях постоянного тока с номинальным напряжением 28 В; напряжение может достигать 80 В в течение 100 мс).
Простейшее схемное решение предусматривает использование переключающего устройства, которое размыкается и замыкается в соответствии с управляющей квадратной волной (фиг.1). В этом случае количество компонентов, общие габариты и вес снижаются до наименьших возможных уровней.
Однако генерация сигнала ШИМ создает много проблем, связанных с излучением электромагнитной энергии в широком диапазоне частот от основной частоты до 1 ГГц.
Чтобы эти излучения оставались в пределах, разрешенных правилами, можно использовать экранированные кабели или скрутки (где выходной кабель сигнала ШИМ скручен с соответствующим обратным проводом).
Альтернативно, в случае однопроводных линий, можно управлять наклоном фронтов сигнала; иными словами, форма выходного напряжения должна представлять собой, по меньшей мере, трапецеидальную (с фронтами постоянного наклона), но не квадратную волну (хотя это было бы идеально).
Для получения этих наклонных фронтов вместо простого переключающего устройства, которое размыкается и замыкается (ON/OFF), нужно использовать каскад управления и переключения линейного напряжения. Это также имеет преимущество в том, что, поскольку выходное напряжение можно регулировать, нагрузка защищается от переходных процессов на линии питания.
Простейший способ построения схемы этого типа предусматривает последовательное соединение МОП-транзистора с линией питания, и управление им таким образом, чтобы он попеременно проводил ток и не проводил ток согласно заранее определенному коэффициенту заполнения (фиг.2). В этом случае форма волны управляющего напряжения воспроизводится на выходе с заранее определенным усилением. В общем случае это решение обеспечивает эффективное управление сигналом возбуждения и регулировку наклона переднего фронта импульсов напряжения. Однако простая топология не позволяет отводить энергию от нагрузки в период, когда транзистор не проводит ток, и поэтому вторая часть формы волны сигнала возбуждения зависит от нагрузки.
Традиционный подход к решению этой проблемы предусматривает использование двухтактных каскадов, но для этого требуются источники отрицательного напряжения и специализированные схемы управления. В применениях, где такие аспекты, как размер и вес играют решающую роль, реализация вышеупомянутого решения может вызывать трудности.
Требования электромагнитной совместимости, предписывающие ограничивать излучения, вызванные генерацией сигнала ШИМ, обуславливают необходимость в обеспечении мощной фильтрации выходного сигнала схемы возбуждения ШИМ с использованием конденсатора на выходной линии (фиг.3), и это ухудшает характеристики выходного каскада схемы в отношении стабильности и реакции на изменения нагрузки. Задний фронт импульса напряжения, в действительности, сильно зависит от нагрузки. При больших выходных токах проблем не возникает, поскольку энергия, накопленная в емкостном фильтре, разряжается через нагрузку, и трапецеидальная волна является практически идеальной. При малых выходных токах фильтр разряжается не полностью, в результате чего форма волны искажается.
0
1
out
1
2
LS
C
1
1
2
3
3
2
3
2
4
2
4
2
Это явление проиллюстрировано на фиг.3 и 4. В интервале t-t ток не течет через линейный переключатель LS, и выходное напряжение V равно нулю. В интервале t-t ток I используется для питания нагрузки (со своей частью I) и для зарядки конденсатора (своей частью I в подинтервале t-t'). В интервале t-t конденсатор разряжается через нагрузку, и линейный переключатель не регулирует выход, поскольку переключатель может лишь подавать ток на нагрузку. Форма выходного напряжения в значительной степени зависит от постоянной RC времени, которая является функцией сопротивления нагрузки и емкости конденсатора фильтра. Если RC<<(t-t), выходное напряжение регулируется; в противном случае возникает искажение. Если (t-t)<<RC<<(t-t), выходное напряжение выражается сигналом, показанным на фиг.5a; если RC>>(t-t), выходное напряжение выражается сигналом, показанным на фиг.5b; иными словами, форма волны ШИМ полностью утрачивается.
В результате, искажение увеличивает яркость возбуждаемого источника нежелательным образом по причине увеличения коэффициента заполнения. Таким образом, регулировка яркости утрачивается.
При заранее фиксированной нагрузке удобно заранее определять выходной ток. Однако во многих применениях, в том числе в авионике, нагрузка является переменной. Причина в том, что величина нагрузки является функцией количества одновременно включаемых индикаторных ламп, и это количество переменно, поскольку лампы могут включаться и выключаться независимо. Сопротивление нагрузки может, в общем случае, изменяться от бесконечности (разомкнутая цепь) до минимального значения около 10 Ом.
Еще больший недостаток состоит в том, что энергия, накопленная в фильтре, препятствует эффективному управлению коэффициентом заполнения при малых нагрузках, поскольку выходное напряжение уменьшается до нуля не столь быстро, как необходимо. Тот факт, что информация коэффициента заполнения сильно зависит от нагрузки, представляет проблему, когда сигнал ШИМ используется для питания набора бортовых индикаторов тревоги (извещателей).
Количество включенных индикаторов изменяется как функция состояния бортовых систем; иными словами, суммарная нагрузка является переменной и зависит от количества активированных извещателей.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение удовлетворительного решения вышеописанных проблем, позволяющего избавиться от недостатков, присущих уровню техники. В частности, задачей настоящего изобретения является обеспечение конфигурации (топологии) схемы для возбуждения, модулированного по ширине импульса, источника света, которая удовлетворяет требованиям простоты и надежности, в пределах конструкционных ограничений, обычно применяемых в авионике, с одновременной оптимизацией поведения схемы в отношении электрических и эксплуатационных показателей.
Согласно настоящему изобретению, эти задачи решаются посредством конфигурации схемы, представленной в п.1 формулы изобретения.
В итоге, настоящее изобретение базируется на принципе добавления управления по току к традиционному управлению по напряжению, для оптимизации формы выходного сигнала ШИМ во всех условиях нагрузки, внешних ограничений и производительности.
Управление по току достигается за счет добавления в выходную линию схемы, включающей в себя регулируемый генератор тока в качестве приемника тока, подключенный к выходу, и способной управлять наклоном задних фронтов импульсов сигнала возбуждения, модулированного по ширине импульса, с внутренней защитой от короткого замыкания.
Выходной конденсатор, добавленный для преодоления проблем электромагнитной совместимости, не позволяет традиционной схеме (фиг.1 и 2) работать с переменными нагрузками. Согласно предложенному решению, этот конденсатор используется для генерации волны с низким излучением.
Когда линейный переключатель не проводит ток, управляемый приемник тока переключается в активное состояние и, таким образом, энергия, накопленная в фильтре, разряжается через него. Разряд постоянного тока создает линейный наклон выходного сигнала напряжения, формируя сигнал с идеальным задним фронтом для снижения электромагнитного излучения.
Когда линейный переключатель проводит ток, управляемый приемник тока переключается в неактивное состояние во избежание потерь мощности на этом каскаде.
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут более полно раскрыты в нижеследующем подробном описании одного варианта осуществления изобретения, приведенного в порядке неограничительного примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг.1, 2 и 3 - конфигурация схемы для возбуждения, модулированного по ширине импульса, нагрузки согласно уровню техники, где вставка демонстрирует форму выходного сигнала возбуждения;
фиг.4, 5a и 5b - временные диаграммы, демонстрирующие изменение сигнала, модулированного по ширине импульса, на выходе идеальной конфигурации схемы и реальной конфигурации схемы, соответственно, согласно уровню техники, показанному на фиг.3;
фиг.6 - конфигурация схемы для возбуждения, модулированного по ширине импульса, нагрузки согласно изобретению;
фиг.7a-7c - принципиальные схемы, иллюстрирующие различные варианты осуществления управляемого приемника тока, используемого в конфигурации схемы, показанной на фиг.6;
фиг.8 - набор диаграмм, демонстрирующих изменение со временем некоторых электрических параметров конфигурации схемы, показанной на фиг.6; и
фиг.9 и 10 - иллюстративные конфигурации схемы для возбуждения, модулированного по ширине импульса, нагрузки, согласно изобретению, в двух вариантах осуществления.
На фиг.6-10 элементы или сущности, идентичные или функционально эквивалентные показанным на фиг.1-5, указаны теми же условными обозначениями, которые ранее использовались в описании этих предыдущих фигур.
На фиг.6 показана конфигурация схемы для возбуждения нагрузки L (которая может быть омической или нелинейной), например, осветительного устройства на основе СИД, применяемого в авионике, с использованием сигнала напряжения, модулированного по ширине импульса.
OUT_CTR
Внешняя линия SL питания подключена к выходу конфигурации возбуждения через устройство LS линейного переключателя, управляющего напряжением, управляемой каскадом D1 управления по напряжению, который способен принимать сигнал V управления от блока управления, который не показан.
Емкостной фильтр C расположен ниже линейного переключателя LS, параллельно нагрузке.
OUT
V обозначает сигнал напряжения, модулированный по ширине импульса, поступающий с выхода конфигурации схемы, отвечающей изобретению, для возбуждения (питания и управления) нагрузки L.
Нагрузка, обозначенная как целое L, представляет одну или несколько отдельных нагрузок, каждая из которых моделирует источник света на основе СИД, и изменяется с течением времени в зависимости от количества и текущего рабочего состояния присутствующих нагрузок.
s
OUT_CTR
I_CTR
S обозначает приемник для постоянного тока I, управляемый каскадом D2 управления по напряжению, который способен принимать сигнал V управления от блока управления и выдавать сигнал V возбуждения согласно заранее определенному правилу, что будет более полно проиллюстрировано далее в описании.
На фиг.7a-7c показано, в виде неограничительных примеров, три разных варианта осуществления схемы устройства приемника тока, а именно:
on/off
I_CTR
i) приемник тока с заземленным транзистором и резистором обратной связи (эмиттер), причем управляемый потребляемый ток, по существу, равен отношению напряжения смещения транзистора (обозначенного V и равного сигналу V возбуждения, показанному на фиг.6) и сопротивления резистора обратной связи;
REF
ON/OFF
REF
ON/OFF
I_CTR
ii) приемник тока с обратной связью, обеспеченной операционным усилителем, в котором потребляемый ток, по существу, равен отношению опорного напряжения V на одном входе операционного усилителя и сопротивления резистора эмиттера. Транзистор, управляемый V, способен выключать приемник тока; поэтому комбинация V и V формирует напряжение V, показанное на фиг.6;
REF
ON/OFF
REF
ON/OFF
I_CTR
iii) топология токового зеркала, которое предпочтительно для снижения минимального возможного выходного напряжения. Ток I задается отношением напряжения V и сопротивления R. Напряжение V способно подключать и отключать коллектор через транзистор с управлением по базе. Поэтому комбинация V и V образует управляющее напряжение V, показанное на фиг.6.
Опишем работу конфигурации схемы, предложенный изобретением, со ссылкой на фиг.8.
OUT
OUT_CTR
I_CTR
S
Временные диаграммы на фигуре демонстрируют, соответственно, изменение во времени выходного напряжения V конфигурации схемы, сигнала V управления каскадов D1 и D2 управления, сигнала V возбуждения приемника тока и тока I.
1
2
В интервале t-t выход управляется посредством линейного переключателя (МОП-транзистора) LS и соответствующей схемы возбуждения.
2
4
0
2
2
3
В интервале t-t линейный переключатель не проводит ток (разомкнут), и энергия не поступает со входа линии питания SL. Приемник постоянного тока выключен в интервале t-t и включается в момент t. Вплоть до момента t емкостной фильтр C заряжается, и приемник тока разряжает его, извлекая ток из него.
S
Согласно теоретическому уравнению для конденсатора (dV/dt=I/C), если ток разряда постоянен (в данном случае определяется как I), наклон сигнала напряжения идеально линеен.
3
4
Когда конденсатор разряжается (t-t), ток не течет через приемник, поскольку нагрузка пассивна, и линейный переключатель LS на основе МОП-транзистора разомкнут.
Это решение обеспечивает следующие преимущества:
I_CTR
- приемником тока очень просто управлять, поскольку достаточно только сигнала V, переносящего только информацию включения/выключения;
- для возбуждения приемника тока не требуется источника отрицательного напряжения питания;
- управление наклоном сигнала напряжения возбуждения идеально, будучи внутренней особенностью работы схемы;
s
- значение наклона связано с внутренними компонентами генератора ШИМ, конденсатором C и током I и не зависит от нагрузки;
- это внутренняя защита от короткого замыкания на выходе.
2
3
S
Сигнал возбуждения приемника тока можно задать для оптимизации разных параметров, но в любом случае приемник тока активен, только когда линейный переключатель разомкнут. Для оптимизации эффективности схемы приемник тока, предпочтительно, переключается в активное состояние только в интервале t-t. Это полезно для защиты схемы от короткого замыкания на выходе в отношении линии питания. В этом случае защита является внутренней, поскольку потребляемый ток задается током I, и потеря мощности снижается до минимума, поскольку сокращается время активации.
2
4
Для получения очень низкого напряжения, иными словами, низкого импеданса относительно земли, когда переключатель LS управления напряжением не проводит ток, приемник тока должен активироваться также в течение интервала t-t, как показано на фигуре.
Поскольку во входную и выходную линии конфигурации добавлен сильный фильтрационный компонент вследствие требований к чувствительности и загрязнению электромагнитным излучением, основной емкостной компонент является внутренним по отношению к конфигурации, и это гарантирует, что время спада фронта импульса не зависит от значения нагрузки, но является функцией внутренних параметров схемы.
Другие параметры, включая управляющее напряжение, можно оптимизировать. Благодаря вводу специализированной схемы, как схематически показано на фиг.9, выходной ток I можно задавать так, чтобы регулировать конкретные параметры.
CTR
Сигнал V управления воспроизводит изменение наклона посредством механизма управления током обратной связи, который использует дифференциальную схему DC.
Ток I в выходной линии можно измерять в узле A. На фазе разряда ток обусловлен только конденсатором, поскольку последовательно подключенный контроллер/переключатель LS не проводит ток. В этом случае выполняется следующее соотношение:
S
O
предполагая, что I>>I.
S
Однако если ток измеряется в узле B (иными словами, если измеряется I), производная выходного напряжения выражается следующим образом:
O
и если kVCTR>>I, получается предыдущее соотношение.
out
S
CTR
Из формул следует, что наклон выходного сигнала V напряжения можно регулировать посредством тока I, потребляемого приемником, который управляется посредством напряжения V.
На фиг.9 и 10 показан пример гиперболического управляющего напряжения, которое позволяет получить выходное напряжение следующего типа:
max
где V - это начальное напряжение и пиковая амплитуда волны.
CTR
Однако, в общем случае, простейшее применение использует постоянное V, что дает:
что позволяет получить задний фронт трапеции, производная которого постоянна.
CTR
Согласно схеме, показанной на фиг.10, для обратной связи можно использовать непосредственно выходное напряжение (или его часть) с помощью дифференциальной схемы DC. В этом случае управляющее напряжение V должно иметь нужное изменение выходного напряжения, когда последнее необходимо увеличить. Дифференциальная схема DC непосредственно возбуждает приемник тока, через который разряжается конденсатор C, что обеспечивает нужное изменение выходного напряжения.
Очевидно, при условии сохранения принципа изобретения, формы применения и детали конструкции могут значительно отличаться от описанных и проиллюстрированных исключительно в порядке неограничительного примера, без отклонения от объема защиты настоящего изобретения, заданного прилагаемой формулой изобретения.