МОДУЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПРЕЦИЗИОННОГО ПИТАНИЯ С СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА РЕЖИМА РАБОТЫ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО ДЕТЕКТОРА

Полезная модель относится к источникам питания, в частности к прецизионным, перестраиваемым и стабилизированным источникам тока или напряжения, позволяющим управлять сверхпроводниковыми терагерцовыми детекторами.
Источники прецизионного питания сверхпроводниковых однофотонных детекторов.
Из патента РФ RU 2467376 (опубликован 20.11.2012; МПК G05F 1/10, G05B 11/00) известен регулятор напряжения, предназначенный для использования в системах электроснабжения. Он содержит вычислительно-измерительный блок, и, по крайней мере, один регулирующий блок, при этом он дополнительно содержит блок настройки и блок памяти, причем первый выход вычислительно-измерительного блока соединен с входом управления регулирующего блока, а силовой вход регулирующего блока соединен с соответствующим входом регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока соединен с выходом регулятора напряжения, вход и выход регулятора напряжения соединены также со входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно, второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен с входом блока настройки, а выход блока настройки соединен с входом блока памяти, причем выход блока памяти соединен с соответствующим входом вычислительно-измерительного блока.
Технический результат заключается в увеличении точности и надежности регулятора напряжения и упрощении конструкции.
Недостатком указанного известного решения является возможность появления в выходном сигнале наводок от источника питания регулятора напряжения, что препятствует его использованию для питания высокоточных устройств, таких как высокочувствительные сенсоры.
Патент США US 6476582 (опубликован 05.11.2002; МПК G05F 1/00, Н01М 10/42, Н01М 10/44, H02J 7/00). Указанный патент описывает источник питания, предназначенный для измерительных систем с низким уровнем шума или для измерений характеристик электронных компонентов, таких как высокочувствительные сенсоры, когда шумы от внешнего источника переменного тока оказывают влияние на измеряемые характеристики.
Источник питания содержит блок питания, заключенный в экран для защиты от внешних наводок и позволяющий точно регулировать выходной ток или напряжение. Он также содержит блок батарей и магазин сопротивлений для задания требуемого выходного напряжения или тока; блок управления и контроля блока питания; блок двухсторонней передачи сигнала для конвертирования электрического сигнала от блока управления и контроля в оптический или акустический сигнал и передачи его блоку питания, и наоборот. Таким образом, блок питания и блок управления и контроля блока питания электрически изолированы друг от друга.
Блок питания включает:
блок контроля включения/выключения, получающий необходимое для его работы питание от батареи. При получении оптического сигнала включения от блока управления и контроля он подает питание на функциональные блоки блока питания, а при получении сигнала выключения - выключает подачу питания на функциональные блоки блока питания;
блок контроля батарей, посредством которого выбирается необходимое количество последовательно соединенных батарей, причем оно поддерживается после снятия управляющего напряжения;
блок управления магазином сопротивлений, устанавливающих нужное сопротивление и поддерживающее его после снятия управляющего напряжения;
блок управления блоком питания, который на основе команд управления от блока контроля и управления, управляет батареями (их подключением и отключением) и магазином сопротивлений, таким образом, управляя током или напряжением.
Как только требуемый ток или напряжение установлены, предусмотрена возможность отключения от основного (внешнего) источника питания с целью исключения наводок. Источник питания дополнительно может включать в себя зарядное устройство для зарядки батарей.
Недостатком рассматриваемого технического решения является то, что аккумуляторная батарея используется для питания самого устройства (его аналоговой части), а не для питания внешнего устройства, например, чувствительного детектора.
Патент RU 2474948 (опубликован 10.02.2013; МПК Н02М 3/338). Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (DC/DC), получающим входное питание в широком диапазоне, и может быть использовано в источниках вторичного электропитания для потребителей различных объектов промышленного и военного назначения. Техническим результатом изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы управления транзисторных ключей, качественная стабилизация выходного напряжения при нулевом и при максимальном токе нагрузки. Указанный технический результат достигается за счет применения генератора, управляемого напряжением (ГУН), формирователей импульсов с фазой 0° и 180°, драйверов тока для коммутации силовых транзисторных ключей, введением прецизионного регулятора напряжения и датчика тока нагрузки. Постоянное отслеживание значения выходного напряжения и тока нагрузки позволяет автоматически контролировать частоту импульсов управляющего генератора (ГУН), обеспечивая точность значения выходного напряжения при любом значении тока нагрузки.
Известный стабилизированный преобразователь напряжения имеет недостаток, состоящий в использовании сложной схемы управления коммутацией транзисторных ключей с помощью времязадающей RC-цепочки, формирователей, усилителя рассогласования, трансформатора с значительным количеством обмоток, что делает технологически сложным обеспечение его надежности.
Патент SU 1793433 A1 (опубликовано 07.02.1993, МПК G05F 1/46, Н02М 7/12). Использование: в качестве стабилизированного источника электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит трехфазный силовой трансформатор, датчик тока нагрузки, выпрямитель на тиристорах и линейный стабилизатор напряжения. Линейный стабилизатор выполнен на дополнительном выпрямителе, регулирующем транзисторе и микроэлектронном стабилизаторе напряжения. К выходу линейного стабилизатора подключено параллельно включенных цепочек. Каждая цепочка состоит из переменного и ограничительного резисторов, последовательно соединенных друг с другом, светодиода и оптрона. Фототранзистор оптрона каждой цепочки включен через развязывающий диод в цепь анод-управляющий электрод соответствующего тиристора выпрямителя.
Наиболее близкий аналог рассматриваемого технического решения раскрыт в патенте на полезную модель №137798 «Источник прецизионного питания)). Антипов А.А., Ожегов Р.В., Тройский П.В., Розенталь В.А. (Класс МПК7: G05F1). Патент описывает полезную модель источника прецизионного питания, предназначенную для измерительных систем с низким уровнем шума или для измерений характеристик электронных компонентов, таких как высокочувствительные сенсоры, когда шумы от внешнего источника переменного тока оказывают влияние на измеряемые характеристики.
Источник прецизионного питания включает в себя гальванически развязанные аналоговую и цифровую части источника питания, при этом аналоговая часть также включает источник смещения для задания требуемого значения тока или напряжения во время работы внешнего устройства (детектора) и обеспечения режима стабилизации соответственно тока или напряжения, адаптер питания для развязки питания подключаемого внешнего устройства и снимаемого с него электрического сигнала, и усилитель для регистрации сигнала от внешнего устройства, цифровая часть включает микроконтроллер для управления с источником смещения, панель управления и дисплей для обеспечения возможности выставления пользователем необходимого значения тока или напряжения на источнике смещения, и блок подключения персонального компьютера к источнику питания, питание аналоговой части осуществляется от аккумулятора.
Недостатком ближайшего аналога является невозможность использования его для управления сверхпроводниковым терагерцовым детектором, а также отсутствие возможности мониторинга режима работы детектора.
Заявляемая полезная модель призвана устранить вышеуказанные недостатки известных технических решений и обеспечить создание прецизионного, перестраиваемого модульного источника питания для сверхпроводникового терагерцового детектора.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности и стабильности питания сверхпроводникового терагерцового детектора, а также возможность мониторинга режима работы детектора.
Технический результат достигается благодаря тому, что источник прецизионного питания сверхпроводникового терагерцового детектора включает гальванически развязанные аналоговую и цифровую части. Аналоговая часть имеет модульное устройство и может содержать один или несколько модулей (в дальнейшем именуемые каналами). Каналы технически взаимозаменяемы, что приводит к возможности оперативной физической замены неработающего канала на запасной. Питание аналоговой части осуществляется от аккумуляторов с возможностью периодической зарядкой от сети. Каждый канал состоит из:
источника питания сверхпроводникового терагерцового детектора, позволяющего задать требуемое значение тока/напряжения смещения в режиме стабилизации тока/напряжения,
адаптера питания для развязки питания, подключаемого сверхпроводникового терагерцового детектора и снимаемого с него электрического сигнала
усилителей для усиления сигнала от сверхпроводникового терагерцового детектора;
системы с функцией защиты от внешней электромагнитной наводки;
аккумулятор.
Цифровая часть включает микроконтроллер для управления каналами, панель управления и дисплей для обеспечения возможности выставления пользователем необходимого значения тока/напряжения на каждом отдельном источнике питания, и блок подключения персонального компьютера для управления модульной системой источников питания.
Основным отличием заявляемого изобретения от ближайшего аналога является:
модульное устройство источника прецизионного питания, которое позволяет управлять работой сверхпроводниковых терагерцовых детекторов;
наличие системы мониторинга режима работы детекторов.
Питание цифровой части может осуществляться от сетевого адаптера. Источник прецизионного питания может быть выполнен с возможностью подачи на сверхпроводниковые терагерцовые детекторы стабилизированного значения тока/напряжения, постоянного во времени и изменяющегося в заданном интервале с одновременной регистрацией сигнала от каждого из детекторов.
Далее полезная модель более подробно раскрывается со ссылкой на фиг. 1, на которой показана блок-схема заявляемого источника прецизионного питания.
Блок-схема источника прецизионного питания включает в себя две основные компоненты: цифровую часть (I) и аналоговую часть (II).
Цифровая часть (I) источника питания включает панель управления (1), микроконтроллер (2), дисплей (3), блок (4) подключения персонального компьютера к источнику питания.
Панель управления (1) и дисплей (3) служат для выставления пользователем необходимых токов и напряжений на самом источнике питания. Основной функцией микроконтроллера (2) является осуществление взаимодействия пользователя через панель управления (1), дисплей (3) и блок (4) подключения персонального компьютера с блоком источника смещения (6) аналоговой части (II).
Посредством блока (4) подключения персонального компьютера осуществляется управление источником питания через компьютер для реализации стационарного, динамического режимов питания (работы) внешнего устройства, а также зарядка аккумулятора (10). В стационарном режиме задается постоянное во времени стабилизированное значение тока на внешнем устройстве. В динамическом режиме стабилизированное значение тока изменяется в заданном интервале с одновременным снятием электрического сигнала с внешнего устройства.
Чтобы свести к минимуму влияние внутренних наводок и помех, цифровая (I) и аналоговая (II) части источника прецизионного питания гальванически развязаны с помощью гальванической развязки (5).
Аналоговая часть (II) имеет модульное устройство и включает в себя несколько идентичных друг другу канала. Каждый канал включает в себя источник смещения (6) сверхпроводниковым терагерцовым детектором, адаптер питания (7) и усилитель (8) и системы отслеживания состояния сверхпроводникового терагерцового детектора (9). Источник смещения (6) задает необходимые ток и напряжение для требуемого рабочего режима детектора. Также он обеспечивает функционирование режимов стабилизации тока или напряжения на внешнем устройстве. Адаптер питания (7) осуществляет развязку питания, подаваемого на детектор, и снимаемого с него электрического сигнала. Усилитель (8) необходим для наблюдения слабого сигнала на осциллографе или на другой регистрирующей аппаратуре, когда требуется обеспечить высокий уровень регистрируемого сигнала.
Питание аналоговой части (II) источника прецизионного питания осуществляется от аккумулятора (10), поскольку он является источником наименьших шумов и наводок во внешнем устройстве, тем самым обеспечивая наиболее стабильную работу последнего. Аккумулятор позволяет исключить электрические шумы, идущие от электрической сети. Периодическая зарядка аккумулятора производится путем прекращения подачи питания на детектор и подключения аккумулятора к сети. Зарядка может производиться в ручном или автоматическом режимах. Если возникает необходимость непрерывной регистрации терагерцового излучения, вместо неработающего канала можно воспользоваться соседним запасным каналом. Цифровая часть (I) источника прецизионного питания может питаться от сетевого адаптера, поскольку она электрически развязана с аналоговой частью (II) и к ней не предъявляются высокие требования по параметру шумов и наводок.
b
b
b
Заявляемый источник прецизионного питания используется для питания сверхпроводниковых терагерцовых детекторов. Источник питания позволяет обеспечить установку требуемого уровня тока I и напряжения U для каждого детектора, при которых каждый отдельный детектор имеет свою максимальную чувствительность при регистрации терагерцового излучения. Чтобы осуществить такой режим работы детектора, необходимо рабочий ток I приблизить как можно ближе к пороговому току Iр детектора, выше которого детектор переходит в неустойчивый режим работы. Источник прецизионного питания дает возможность осуществлять как грубую, так и плавную перестройку шага тока, тем самым позволяя выставлять необходимые их значения с достаточно высокой точностью. Необходимость в подстройки источника питания связана с тем, что все терагерцовые детекторы имею незначительное отличие по своим рабочим параметрам, в том числе и по величине порогового тока Iр, т.е. каждый отдельный детектор требует задания своего рабочего тока/напряжения.
В частном случае исполнения источника прецизионного питания для питания сверхпроводникового терагерцового детектора предусматривается режим стабилизации по току, при этом диапазон изменения тока в режиме стабилизации составляет от -300 до 300 мкА с временной стабильностью не хуже 0,1 мкА, а диапазон изменения напряжения в режиме стабилизации составляет от -10 до 10 мВ с временной стабильностью не хуже 10 мкВ. Шаг перестройки тока в режиме стабилизации составляет 0,05 и 5 мкА соответственно для плавной и грубой регулировки тока.
Источник прецизионного питания имеет систему мониторинга режима работы детектора. Для этого используется разработанный программно-аппаратный комплекс.
Под воздействием внешних, либо внутренних электромагнитных шумов, мощность которых значительно превышает мощности регистрируемого терагерцового сигнала, сверхпроводниковый детектор переходит в состояние, в котором его чувствительность резко падает. Чтобы выявить момент снижения чувствительности детектора необходимо отслеживать изменение величины критического тока ∆Iс на детекторе через определенный интервал времени ∆t. Если ∆Iс превышает установленное требуемое значение, то происходит оповещение о сбое в работе сверхпроводникового терагерцового детектора из-за понижения его чувствительности.
Таким образом, заявляемый модульный источник прецизионного питания с системой мониторинга позволяет повысить надежность работы сверхпроводниковых терагерцовых детекторов и отслеживать возможное влияние внешней либо внутренних электромагнитных шумов на чувствительность детектора.