ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ
POWER SOURCE OF TRANSMIT-RECEIVE MODULE

Изобретение относится к электротехнике, а в частности к импульсным преобразователям напряжения, и предназначено для использования в системе электропитания приемопередающих модулей (ППМ) активной фазированной антенной решетки (АФАР) радиолокационной станции (РЛС) с высоким уровнем входного напряжения (300-700 В) постоянного тока.
Система электропитания ППМ АФАР РЛС разделяется на централизованную и децентрализованную.
Известны системы электропитания приемопередающих модулей и аппаратуры АФАР [1, 2], а также схемотехнические принципы построения источников электропитания для ППМ [3]. Такие решения применяются в централизованной системе электропитания ППМ АФАР, структурная схема которой приведена на фиг. 1.
В централизованной системе электропитания ППМ АФАР, чаще всего, сетевое напряжение поступает на вход мощного понижающего AC/DC-преобразователя напряжения, который формирует напряжение промежуточной шины постоянного тока, которое является входным напряжением электропитания непосредственно для ряда источников электропитания ППМ.
Недостатками такого решения являются:
- большая величина тока, протекающая в цепи промежуточной шины постоянного тока;
- работоспособность АФАР зависит от исправного состояния мощного центрального AC/DC-преобразователя напряжения, при отказе которого прекращается функционирование всей АФАР.
Рассмотрим децентрализованную систему электропитания ППМ АФАР РЛС, структурная схема которой приведена на фиг. 2.
В децентрализованной системе электропитания ППМ АФАР РЛС каждый модуль электропитания работает на один ППМ. Выход из строя одного или нескольких модулей электропитания или ППМ не приводит к отказу АФАР в целом. В такой системе электропитания достаточно большой мощности (не менее 10 кВт) в качестве входного напряжения для модуля электропитания ППМ необходимо напряжение постоянного тока уровнем 540±50 В.
В децентрализованной системе электропитания ППМ АФАР целесообразно применение минимальной номенклатуры импульсных преобразователей напряжения с целью решения задачи оптимальной электромагнитной совместимости элементов, входящих в состав АФАР, снижения уровня паразитных гармоник, генерируемых в эфир и наводимых в электрические цепи аппаратуры приемного тракта. Наличие только одного типа «малошумящего» импульсного преобразователя напряжения в цепях электропитания передатчика и приемника антенного устройства обеспечивает оптимальные условия для решения поставленной задачи.
Известные работы [2], [3], [4] предлагают решения, в которых передающие и приемные устройства, входящие в состав ППМ, питаются от нескольких (не менее двух) типов импульсных высокочастотных преобразователей напряжения.
Для функционирования в децентрализованной системе электропитания АФАР предлагался источник электропитания, построенный на основе известного высокочастотного преобразователя [4]. Высокочастотный преобразователь [4] рассмотрен как аналог в рамках настоящей работы.
Высокочастотный преобразователь напряжения [4], структурная схема которого представлена на фиг. 3, функционально относится к однотактному прямоходовому преобразователю напряжения. Схема управления высокочастотным преобразователем напряжения 1 формирует в цепи затвора ключевого транзистора 5 импульсы в форме меандра.
Импульсный трансформатор 2 работает в режиме однополярного перемагничивания магнитопровода по частному циклу петли гистерезиса [6]. Энергия, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора за время, когда ключевой транзистор находится в проводящем состоянии, после закрывания транзистора приводит к выбросу напряжения на ключевом транзисторе 5 и выпрямительном диоде 7. Энергия, накопленная в магнитопроводе импульсного трансформатора 2, излучается в эфир и оказывает отрицательное влияние на работу приемного устройства АФАР.
стаб
Для размагничивания магнитопровода трансформатора при закрытом состоянии ключевого транзистора 5 в схеме высокочастотного преобразователя [4] организована цепь для протекания тока в противоположном направлении через первичную обмотку импульсного трансформатора 2. В работе [4] для этого введена цепь из диода 6, резистора 10, неполярного конденсатора 11, стабилитрона 9. В преобразователе напряжения к первичной обмотке трансформатора 2 приложено отрицательное напряжение стабилизации U (стабилитрон 9) на интервале закрытого состояния ключевого транзистора 5. В этом интервале работы преобразователя напряжения через первичную обмотку трансформатора 2 протекает ток, противоположной направленности току намагничивания. Энергия, запасенная в магнитопроводе трансформатора 2, преобразуется в тепловую энергию, рассеиваемую стабилитроном 9 и резистором 10. Так осуществляется размагничивание магнитопровода трансформатора [6]. Очевидно, что необходимым условием размагничивания магнитопровода трансформатора является выполнение соотношения:
вх
макс
стаб
макс
UD<U(1-D)
вх
U - напряжение постоянного тока на входе преобразователя напряжения;
МАКС
D - максимальный коэффициент заполнения импульса управления, поступающего в цепь затвора ключевого транзистора.
Номинальное напряжение стабилитрона выбирается из соотношения:
В предлагаемой работе входное напряжение источника электропитания ППМ составляет 300-700 В постоянного тока, т.е. необходимым условием работы цепи размагничивания магнитопровода трансформатора 2 будет применение в качестве стабилитрона 9 элемента с напряжением стабилизации более 250 В.
Недостатками рассматриваемого аналога являются:
- в качестве стабилитрона, ограничивающего выброс напряжения, необходимо применить несколько элементов, т.е. определенное число последовательно соединенных стабилитронов. Величина мощности, рассеиваемой элементами 6, 9, 10, значительна при работе источника электропитания от входного напряжения уровнем не менее 530 В, что определяет большие габариты этих элементов;
- в работе [4] не показана цепь электропитания схемы управления 1. Таким образом, процесс запуска предложенного высокочастотного преобразователя в работу не определен. В составе источника электропитания АФАР, рбаотающего от высоковольтного входного напряжения, необходимо наличие функционального узла, который обеспечит запуск высокочастотного преобразователя;
вх
- недостатком применения такой схемы высокочастотного преобразователя в составе источника электропитания ППМ является то, что к ключевому транзистору 5 в закрытом состоянии приложено входное напряжение U, а также дополнительно импульсное напряжение выброса, величина которого определяется индуктивностью рассеивания трансформатора 2 и количеством витков в обмотке размагничивания, которая является отрицательным фактором патента [4].
вх
С учетом работы цепи размагничивания магнитопровода максимальное значение напряжения, приложенного к стоку ключевого транзистора, может достигать уровня 2U [6]. Стандартное допустимое напряжение сток-исток современных МОП-транзисторов составляет 1200 В. Следовательно, ключевой транзистор функционирует в предельно допустимом режиме работы, что резко снижает надежность источника электропитания ППМ.
Таким образом, исходя из аргументов, приведенных выше, следует, что предлагаемый тип высокочастотного преобразователя [4] не может быть применен в источнике электропитания ППМ с высоковольтным входом, уровнем не менее 530 В.
При выполнении работы по созданию предлагаемого изобретения за прототип был принят источник вторичного электропитания (ИВЭП) ППМ метрового диапазона длин волн, известный по работе [5], в которой описано функционирование децентрализованной системы электропитания ППМ АФАР.
Структурно-функциональная схема прототипа ИВЭП АФАР метрового диапазона длин волн показана на фиг. 4.
Входное напряжение постоянного тока уровнем 300-700 В приложено к входу первичной обмотки трансформатора 8 и нижнему выводу датчика тока 10, который представляет из себя резистор. В цепи вторичной обмотки трансформатора 8 включен выпрямитель на диодах 13, 14 и выходной LC-фильтр - дроссель 16 и конденсатор 18. Схема управления (СУ) 20 состоит из ШИМ-контроллера (ШК) 11, диодной оптопары (ОД) 12 и регулируемого стабилизатора (PC) 17. На вход СУ 20 поступают сигналы с датчика напряжения (ДН) 19 и датчика тока 10. Выход схемы управления (выход ШК) подключен к затвору ключевого транзистора 9. В установившемся режиме работы ИВЭП источник питания (ИП) 15 формирует напряжение электропитания для СУ 20, необходимого уровня.
Ключевой транзистор 9 выводом стока подключен к выводу первичной обмотки импульсного трансформатора 8. Вывод истока ключевого транзистора 9 соединен с датчиком тока, то есть с верхним выводом датчика тока 10.
СУ 20, построенная на ШК 11, формирует последовательность импульсов в форме меандра. Длительность импульсов изменяется в зависимости от уровней напряжений сигналов обратной связи с ДН 19 и обратной связи по току (падение напряжения на датчике тока 10). Сигнал обратной связи по току поступает во входную цепь ШК 11.
вх
На элементах - резистор 2 и конденсатор 3 собрана цепь запуска ШК 11 в работу. При подаче напряжения U на входные клеммы источника питания через резистор 2 протекает электрический ток и заряжает конденсатор 3 до потенциала, при котором происходит включение ШК 11.
Сигнал обратной связи по напряжению формируется на ДН 19 и через PC 17 и ОД 12 поступает на вход ШК 11.
вх
Импульсы управления, формируемые ШК 11, поступают в цепь затвора ключевого транзистора 9. В интервале действия импульса через первичную обмотку трансформатора 8 через находящийся в проводящем состоянии транзистор 9 и датчика тока 10 протекает ток от источника входного напряжения U. Энергия, поступающая на вход преобразователя напряжения, передается в цепь вторичной обмотки трансформатора 8 во время нахождения транзистора 9 в проводящем состоянии. Переменное напряжение вторичной обмотки выпрямляется выпрямителем на диодах 13 и 14. После LC-фильтра формируется стабилизированное напряжение постоянного тока для электропитания передающего устройства. При выключении транзистора 9 энергия коммутационного выброса рассеивается в тепло на элементах цепи: диод 7, конденсатор 6, резистор 5, стабилитрон 4.
Прототип, предложенный в качестве ИВЭП для электропитания ППМ метрового диапазона [5], имеет следующие недостатки:
- при использовании ИВЭП в системе электропитания с высоковольтным входом, в однотактном прямоходовом преобразователе напряжения, построенном на одном ключевом транзисторе, выброс напряжения при закрывании транзистора 9 достигает величины максимально-допустимой для транзистора, что снижает надежность работы источника электропитания;
- для организации эффективного размагничивания магнитопровода трансформатора необходима установка двух-трех высоковольтных стабилитронов, на которых будет рассеиваться импульсная мощность большой величины, поэтому введение дополнительных элементов для рассеивания паразитной энергии в тепло и большие габариты трансформатора однотактного преобразователя в целом приводят к увеличению массы ИВЭП. А также реализованная схема размагничивания магнитопровода импульсного трансформатора приводит к генерации в эфир высокочастотных шумов в широком спектре частот и увеличению амплитуды высокочастотных гармоник в диапазоне работы приемного устройства ППМ;
- данный источник электропитания формирует только один канал выходного напряжения, что недостаточно для электропитания ППМ, который состоит из усилителя мощности передающего устройства, коммутатора и приемного устройства.
Уровень паразитных гармоник в цепях электропитания приемного устройства антенны должен быть минимальным и не оказывать отрицательного влияния на работу приемника. В связи с этим наличие нескольких высокочастотных преобразователей в составе источника электропитания ППМ является отрицательным фактором, т.к. работа высокочастотных преобразователей напряжения приводит как к генерации паразитных высокочастотных помех, т.е. к снижению чувствительности приемного тракта, так и к снижению надежности системы электропитания АФАР.
Предложенное изобретение решает задачу электропитания ППМ от одного высокочастотного преобразователя напряжения.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрических и эксплуатационных характеристик взятого за прототип источника электропитания ППМ, а именно повышение надежности работы источника, снижение амплитуды высокочастотных гармоник и частотного спектра шумов в диапазоне работы приемного устройства ППМ, генерируемых источником электропитания в эфир и по проводным соединениям, а также снижение массы предлагаемого ИВЭП. Дополнительным техническим результатом является то, что конструктивное исполнение импульсного трансформатора и электрическая схема источника электропитания ППМ позволили сформировать три канала выходного напряжения для электропитания усилителя мощности передающего устройства, коммутатора и приемного устройства.
Структурная схема источника электропитания ППМ показана на фиг. 5.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее входной фильтрующий конденсатор 1, импульсный трансформатор 8, ключевой транзистор 9, СУ 20, первый датчик тока 10, элементы, установленные в цепь вторичной обмотки импульсного трансформатора: выпрямительные диоды 13 и 14, накопительный дроссель 16, выходной конденсатор 18, ДН 19, ИП 15, дополнительно введены в цепь первичной обмотки импульсного трансформатора 8 второй ключевой транзистор 24, конденсаторы полумоста 21 и 22, второй датчик тока 25, генератор запуска (ГЗ) 23, а в цепь вторичной обмотки введена третья вторичная обмотка, которая состоит из выпрямительных диодов 28 и 29, дросселя 31, конденсатора 33, а в цепь первой вторичной обмотки импульсного трансформатора введен выходной фильтр 34, а в цепь второй вторичной обмотки импульсного трансформатора введены выпрямительные диоды 26 и 27, дроссель 30, конденсатор 32, два линейных стабилизатора напряжения 35 и 36.
В структурной схеме предлагаемого изобретения, представленного на фиг. 5, введены следующие обозначения:
1 - Входной фильтрующий конденсатор;
8 - Импульсный трансформатор с тремя вторичными обмотками;
9 - Первый ключевой транзистор;
10 - Первый датчик тока (трансформатор тока);
13 - Первый выпрямительный диод;
14 - Второй выпрямительный диод;
15 - Источник питания схемы управления;
16 - Первый дроссель;
18 - Фильтрующий конденсатор первого канала;
19 - Датчик напряжения первого канала;
20 - Схема управления работой источника электропитания;
21 - Первый конденсатор полумостового преобразователя напряжения;
22 - Второй конденсатор полумостового преобразователя напряжения;
23 - Генератор запуска источника электропитания;
24 - Второй ключевой транзистор;
25 - Второй датчик тока (трансформатор тока);
26 - Третий выпрямительный диод;
27 - Четвертый выпрямительный диод;
28 - Пятый выпрямительный диод;
29 - Шестой выпрямительный диод;
30 - Второй дроссель;
31 - Третий дроссель;
32 - Фильтрующий конденсатор второго и третьего каналов;
33 - Фильтрующий конденсатор;
34 - Выходной фильтр первого канала;
35 - Первый линейный стабилизатор напряжения;
36 - Второй линейный стабилизатор напряжения.
вх
вх
вх
Устройство представляет собой источник электропитания ППМ с тремя каналами выходного напряжения. К входным клеммам источника электропитания ППМ (U) подключен фильтрующий конденсатор 1. Положительный потенциал входного напряжения (+U) подается на положительный вывод конденсатора 21, сток ключевого транзистора 9 и положительный вывод ГЗ 23. Отрицательный потенциал входного напряжения (-U) подается на отрицательный вывод конденсатора 22, второй вывод второго датчика тока 25 и на отрицательный вывод ГЗ 23.
Первый вывод первичной обмотки импульсного трансформатора 8 соединен с отрицательным выводом конденсатора 21 и положительным выводом конденсатора 22.
дт.1
дт.2
Второй вывод первичной обмотки импульсного трансформатора 8 соединен со вторым выводом первого датчика тока 10 и стоком ключевого транзистора 24. Исток ключевого транзистора 9 соединен с первым выводом первого датчика тока 10. Исток ключевого транзистора 24 соединен с первым выводом второго датчика тока 25. Выходной сигнал с датчика тока 10 (U), выходной сигнал с датчика тока 25 (U) поступают на первый и второй входы СУ 20. Выход схемы управления А соединен с затвором ключевого транзистора 9. Выход схемы управления В соединен с затвором ключевого транзистора 24.
Трансформатор 8 выполнен с тремя вторичными обмотками. Каждая вторичная обмотка трансформатора 8 выполнена со средним отводом для подключения двух диодов по двухполупериодной схеме выпрямления.
Первый вывод первой вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 13, второй вывод первой вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 14. Катоды выпрямительных диодов 13 и 14 соединены друг с другом и с входом первого дросселя 16.
вых.1
вых.1
ос
oc
Выход первого дросселя 16 соединен с положительным выводом конденсатора 18, положительным входом выходного фильтра 34. Средний отвод первой вторичной обмотки подключен к отрицательному выводу конденсатора 18 и отрицательному входу выходного фильтра 34. Положительный выход выходного фильтра 34 подключен к положительному выводу ДН 19 и к положительной клемме выхода первого канала «+U». Отрицательный выход выходного фильтра 34 подключен к отрицательному выводу ДН 19 и к отрицательной клемме выхода первого канала «-U». Выход ДН напрямую, без гальванической развязки, соединен с выводом «U» СУ 20 и с выводом «U» ГЗ 23.
вых.2
вых.3
Первый вывод второй вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 26, второй вывод второй вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 27. Катоды выпрямительных диодов 26 и 27 соединены друг с другом и с входом второго дросселя 30. Выход второго дросселя 30 соединен с положительным выводом конденсатора 32 и входом первого стабилизатора напряжения 35. Выход первого стабилизатора напряжения 35 подключен к клемме второго выходного канала «+U». Средний отвод второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с отрицательным выводом конденсатора 32, общими выводами стабилизаторов напряжений 35 и 36. Вход второго стабилизатора напряжения 36 подключен к выходу первого стабилизатора напряжения 35. Выход второго стабилизатора напряжения 36 подключен к клемме третьего выходного канала «+U». Общий провод первого стабилизатора напряжения 35 соединен с общим проводом второго стабилизатора напряжения 36 и с клеммой «Общий». Клемма «Общий» является отрицательным выводом второго и третьего канала выходного напряжения.
пит.су
пит.су
вых.1
пит.су
пит.су
Первый вывод третьей вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 28, второй вывод третьей вторичной обмотки подключен к аноду выпрямительного диода 29. Катоды выпрямительных диодов 28 и 29 соединены друг с другом и с входом третьего дросселя 31. Выход третьего дросселя соединен с положительным выводом конденсатора 33, с выводом «+U» СУ 20 и с выводом «+U» ГЗ 23. Средний отвод третьей вторичной обмотки соединен с отрицательным выводом конденсатора 33, с выходной клеммой первого канала «-U», с выводом «-U» СУ 20 и с выводом «-U» ГЗ 23. Элементы 28, 29, 31, 33 и третья вторичная обмотка трансформатора 8 образуют ИП 15 для электропитания СУ 20.
oc
вых.1
пит.су
вх
вх
Предлагаемый источник электропитания ППМ построен на основе полумостового преобразователя напряжения, который собран на двух МОП-транзисторах 9 и 24, двух конденсаторах 21 и 22, в диагональ полумоста включена первичная обмотка импульсного трансформатора 8. Импульсный трансформатор 8 имеет три вторичные обмотки, каждая вторичная обмотка состоит из двух симметричных частей с отводом посередине для включения пары выпрямительных диодов по полумостовой схеме выпрямления. В цепь вторичной обмотки импульсного трансформатора включены выпрямительные диоды 13, 14, 26, 27, 28, 29, накопительные дроссели 16, 30, 31, выходные электролитические конденсаторы 18, 32, 33. В цепь второй вторичной обмотки импульсного трансформатора после выпрямителя и LC-фильтра включены стабилизаторы напряжения 35 и 36, которые включены последовательно и с выходов которых снимается напряжение второго и третьего каналов выходного напряжения. Работой полумостового преобразователя напряжения управляет СУ 20. На вход СУ 20 поступает сигнал обратной связи по напряжению (U), снимаемый с ДН 19, установленного в выходную цепь первого канала «+U» и сигналы обратной связи по току с двух датчиков тока 10 и 25. Запуск СУ 20 в работу происходит после того как в цепи «+U» формируется потенциал необходимого уровня. Формирование этого потенциала осуществляется ГЗ 23, после подачи напряжения постоянного тока на входные клеммы «+U» и «-U» источника электропитания ППМ.
Принцип работы предложенного источника электропитания ППМ следующий.
вх
дт.1
дт.2
вых
вых.1
дт.1
дт.2
oc
вых.1
Входное напряжение постоянного тока (U) подается на выводы входного фильтрующего конденсатора 1. К положительному и отрицательному выводам входного фильтрующего конденсатора 1 подключен делитель напряжения, собранный на конденсаторах 21 и 22. Делитель напряжения делит входное напряжение пополам, таким образом, к первичной обмотке импульсного трансформатора 8 приложено переменное напряжение с амплитудой  Переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора 8 формируется вследствие поочередной коммутации двух ключевых транзисторов 9, 24. Импульсный преобразователь напряжения работает в двухтактном режиме [6]. Направление импульсного тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора 8, изменяется в зависимости от того, какой из ключевых транзисторов 9 или 24 находится в открытом состоянии. В цепи затворов ключевых транзисторов 9, 24 поступают высокочастотные импульсы напряжения в форме меандра. При этом транзисторы открываются поочередно - в открытом состоянии первого транзистора 9 закрыт транзистор 24 и наоборот. При передаче энергии из цепи первичной обмотки в цепь вторичной обмотки каждый транзистор 9 и 24 работает в ключевом режиме с коэффициентом заполнения импульсов величиной 0,42-0,45. Суммарный коэффициент заполнения импульсов 0,84-0,9. Последовательность импульсов формирует СУ 20 (выходы А и В соединены с цепями затворов ключевых транзисторов). СУ 20 обеспечивает паузу -«мертвое» время (оба транзистора закрыты) - 10-16% от длительности периода проводящего состояния двух транзисторов. В цепи истоков транзисторов 9 и 24 установлены датчики тока 10 и 25, имеющие внутреннюю гальваническую (трансформаторную) развязку. Датчики тока 10 и 25 контролируют импульсный ток в высокопотенциальной цепи первичной обмотки трансформатора 8. Сигналы «U», «U» сформированы относительно выходного напряжения «-U» и поступают в СУ 20. В состав СУ 20 входит ШИМ-контроллер, который и формирует последовательность импульсов управления ключевыми транзисторами 9 и 24. Регулировка уровня выходного напряжения первого канала «U» осуществляется за счет изменения длительности импульсов, поступающих в цепи затворов ключевых транзисторов. Длительность импульса изменяется в зависимости от уровня напряжений, снимаемых с датчиков тока «U», «U» и с ДН 19 «U», за счет этого осуществляется режим стабилизации выходного напряжения «U» при изменении входного напряжения и при изменении тока нагрузки.
вых.2
вых.3
пит.су
Отличием от прототипа является формирование в предлагаемом преобразователе напряжения трех каналов выходного напряжения для электропитания ППМ. Для этого трансформатор 8 выполнен с тремя вторичными обмотками. Вторая вторичная обмотка трансформатора 8 предназначена для формирования второго (U) и третьего (U) каналов выходного напряжения источника электропитания. Третья вторичная обмотка трансформатора 8 предназначена для формирования цепи электропитания (U) СУ 20 двухтактным преобразователем напряжения в установившемся режиме работы.
вых.1
вых.1
вых.1
вых.1
вых.1
Каждая вторичная обмотка состоит из двух частей с отводом посередине с одинаковым количеством витков. В цепях вторичных обмоток трансформатора 8 установлены выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды 13 и 14 включены по схеме двухполупериодного выпрямления с общим катодом, к общему катоду диодов 13 и 14 подключен накопительный дроссель 16. При включении двухтактного преобразователя напряжения дроссель 16 накапливает энергию, затем передает ее в выходную цепь нагрузки «U» в тот момент времени, когда оба ключевых транзистора 9 и 24 находятся в закрытом состоянии. Величина индуктивности дросселя 16 обратно пропорциональна величине тока нагрузки. В цепи выпрямленного напряжения установлены фильтрующий конденсатор первого канала 18 и выходной фильтр 34 для фильтрации импульсной переменной составляющей выходного напряжения. К выходным клеммам «+U» и «-U» источника электропитания подключен датчик напряжения 19. Работа СУ 20 обеспечивает формирование выходного напряжения на клеммах «+U» и «-U» с заданными параметрами по стабилизации.
вых.2
вых.3
В цепь второй вторичной обмотки включен двухполупериодный выпрямитель на диодах 26, 27, включенных по схеме с общим катодом. К общему катоду диодов подключен низкочастотный фильтр, состоящий из дросселя 30 и электролитического конденсатора 32. Выпрямленное напряжение после фильтрации LC-фильтром подается на стабилизатор напряжения 35. К выходной цепи стабилизатора 35 подключен стабилизатор напряжения 36. Выходные цепи линейных стабилизаторов напряжения 35, 36 подключены к выходным клеммам источника электропитания «+U», «+U», «Общий». Первый и второй стабилизаторы напряжения 35, 36 выполнены по схеме линейных параметрических стабилизаторов напряжения. В том случае если суммарная мощность потребления приемным устройством и коммутирующим устройством ППМ не превышает 10 Вт, то электропитание этих устройств целесообразно выполнить с помощью линейных стабилизаторов напряжения. Это позволяет снизить уровень паразитных гармоник, поступающих в цепи приемного устройства, значит улучшить чувствительность приемного тракта АФАР в 2-3 раза по сравнению с прототипом.
пит.су
пит.су
В цепь третьей вторичной обмотки также включены двухполупериодные пятый и шестой выпрямительные диоды 28, 29, включенные по схеме с общим катодом. К общему катоду диодов подключен низкочастотный фильтр, состоящий из дросселя 31 и электролитического конденсатора 33. На выводах конденсатора 33 сформировано напряжение электропитания (цепи «+U», «-U») СУ 20 импульсным источником электропитания ППМ.
вх
вх
ГЗ 23 включается при подаче постоянного входного напряжения на клеммы «+U», «-U». В предлагаемом изобретении ГЗ 23 работает от входного напряжения постоянного тока в пределах от 300 В до 700 В. ГЗ – это преобразователь напряжения, в котором высокопотенциальные входные цепи гальванически развязаны с цепью, формирующей импульсы напряжения, амплитуда и длительность которых достаточна для включения СУ 20.
вх
вх
вых.1
0
С момента подачи входного напряжения на клеммы «+U», «-U» ГЗ 23 формирует импульсы выходного напряжения с задержкой по времени, которая обеспечивает формирование паузы перед включением СУ 20 и безопасный переходный процесс при запуске двухтактного преобразователя напряжения. СУ 20 приводит в действие двухтактный преобразователь напряжения и в установившемся режиме работы преобразователь напряжения получает питание от цепи третьей вторичной обмотки импульсного трансформатора 8. При достижении выходного напряжения первого канала +U номинального уровня, по сигналу обратной связи Uc происходит отключение ГЗ 23. Таким образом, в установившемся режиме работы источника электропитания действует только один двухтактный импульсный преобразователь напряжения.
вых.1
вх
вх
вх
ГЗ 23 работает только короткий промежуток времени - от момента подачи входного напряжения U до момента выхода источника электропитания ППМ на номинальный режим работы. Такое схемотехническое решение позволяет увеличить продолжительность безотказной работы источника электропитания в целом. Структурно-функциональная схема предложенного изобретения обеспечивает работу, при которой такие последовательные процессы, как заряд входных конденсаторов, включение ГЗ 23, включение СУ 20, выход источника электропитания на номинальный режим работы, отключение ГЗ 23 разнесены во времени. Такой алгоритм работы позволил получить универсальную схему источника электропитания ППМ для построения децентрализованной системы электропитания АФАР, гарантирующую безопасное протекание переходных процессов в аппаратуре. При наличии аварийных процессов в сети электропитания комплекса, в состав которого входят источники электропитания по предложенной структурно-функциональной схеме (фиг. 5), надежная работа источника электропитания ППМ обеспечивается за счет наличия ГЗ 23. ГЗ 23 после временной паузы, в течение которой электрическая энергия запасается в низковольтных электролитических конденсаторах, формирует напряжение достаточного уровня для включения СУ 20. За счет этого процесса обеспечивается задержка по времени включения источника электропитания ППМ после подачи постоянного напряжения U на входные клеммы «+U», «-U». Такой алгоритм включения источника электропитания позволяет исключить влияние мгновенных переходных процессов, протекающих в электрической сети и цепи электропитания АФАР, на элементы схемы АФАР. Поэтому данное изобретение позволяет осуществлять включение и безопасную работу источника электропитания ППМ в широком диапазоне входного напряжения постоянного тока в диапазоне от 300 В до 700 В.
вх
Технический результат достигнут за счет построения источника электропитания ППМ на основе полумостового преобразователя напряжения [6]. Это позволило ограничить амплитудное значение напряжения на транзисторе на уровне величины U с учетом коммутационного выброса напряжения. МОП-транзисторы с допустимым напряжением сток-исток 1200 В (12-го класса) могут использоваться в данной модели с двойным запасом по допустимому напряжению при электропитании системы (фиг. 2) от промышленной сети напряжением 380 В и частотой 50 Гц.
вых.1
Импульсный трансформатор имеет три вторичные обмотки. За счет этого, а также за счет двухтактного режима работы в цепь нагрузки удалось реализовать источник электропитания с тремя каналами выходного напряжения. Введение в состав предлагаемого изобретения ГЗ 23 позволило использовать источник питания в системах электропитания АФАР с высоковольтным входом. ГЗ 23 выключается после того, как на выходе источника электропитания формируется «U» напряжение номинального уровня. Включение в схему источника электропитания ГЗ 23 позволило обеспечить безопасный переходный процесс при включении источника, также позволило использовать только один импульсный двухтактный преобразователь напряжения для реализации трех каналов выходного напряжения.
Двухтактный режим работы полумостового преобразователя позволил применить импульсный трансформатор меньших габаритов, чем в прототипе [5] при той же выходной мощности источника электропитания. В течение двух полупериодов транзисторы коммутируются поочередно и через первичную обмотку импульсного трансформатора ток протекает в противоположных направлениях. Такой режим обеспечивает эффективное перемагничивание магнитопровода трансформатора [6], не требуется организация дополнительных цепей для рассеивания паразитной энергии накопленной в магнитопроводе. Следовательно, введение в схему источника электропитания ГЗ 23, выходного фильтра 34, использование только одного двухтактного импульсного преобразователя напряжения и предложенного конструктивного исполнения трансформатора позволило получить минимальный уровень и узкий спектр паразитных гармоник, излучаемых как в эфир, так и в электрические цепи ППМ.
Уровень паразитных гармоник в цепи электропитания приемного устройства при включении источника в децентрализованную систему электропитания АФАР показан на фиг. 6 (осциллограмма высокочастотной переменной составляющей напряжения в диапазоне частот 150-200 МГц, снятая в цепи электропитания приемного устройства АФАР), где введены следующие номера характеристик:
1 - Включен источник электропитания, изготовленный на основе прототипа с дополнительным высокочастотным фильтром, подключенным к выходу ИВЭП;
2 - Включен источник электропитания ППМ, изготовленный на основе предложенной модели без дополнительного высокочастотного фильтра;
3 - Шумовой фон эфира.
Источники информации
1. М.А. Шумов, Н.А. Кушнерев. Система электропитания активных фазированных антенных решеток. "Радиотехника", 2007, выпуск 12.
2. "Система электропитания мобильной радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой", патент на полезную модель №92579. МПК H02J 3/02, H02J 9/00, опубликовано: 20.03.2010.
3. С. Воробьев. Выбор элементной базы для систем вторичного электропитания приемопередающих модулей АФАР. "Компоненты и технологии", 2014, №10, с. 36-39.
4. "Высокочастотный преобразователь", патент на полезную модель №47146, Н02М 3/335, опубликовано: 10.08.2005.
5. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф., Тетенькин Л.В. Система электропитания радиолокационного комплекса. Научно-технический сборник «Электропитание», выпуск №7, стр. 21-27 (прототип).
6. В. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. Техносфера, Москва, 2005 г.