ИСТОЧНИК ПРЕЦИЗИОННОГО ПИТАНИЯ С СИСТЕМОЙ АВТОСБРОСА ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ОДНОФОТОННОГО ДЕТЕКТОРА

Полезная модель относится к источникам питания, в частности к прецизионным, перестраиваемым и стабилизированным источникам тока или напряжения.
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, регулирующий блок, блок настройки и блок памяти. 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 с входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно. Второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен с входом блока настройки. 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 не дает возможности его использования для питания высокоточных устройств, таких как высокочувствительные сенсоры.
Следующий аналог раскрыт в патенте 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, блок контроля батарей, блок управления магазином сопротивлений, блок управления блоком питания. 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 аналога является ограниченная возможность прецизионного регулирования выходного тока или напряжения, поскольку источник питания не может выдавать стабильное значение выходной величины при резком возрастании внутреннего сопротивления сверхпроводникового однофотонного детектора.
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 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 ограниченная возможность автоматического поддержания рабочего режима сверхпроводникового однофотонного детектора.
Заявляемая полезная модель призвана устранить вышеуказанные недостатки известных технических решений и обеспечить создание прецизионного, перестраиваемого источника питания с высокой стабильностью значений выходных параметров для сверхпроводникового однофотонного детектора.
Техническим результатом является повышение точности и стабильности питания сверхпроводникового однофотонного детектора, в частности, когда предусмотрена обратная связь между источником питания и подключенным к нему детектором, а также возможность автоматического поддержания рабочего режима детектора при резком изменении его внутреннего сопротивления.
Технический результат достигается благодаря тому, что источник прецизионного питания включает гальванически развязанные аналоговую и цифровую части, причем питание аналоговой части осуществляется от аккумулятора. Аналоговая часть включает источник смещения для задания требуемого значения тока или напряжения и обеспечения соответствующего режима стабилизации (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, а также систему автосброса для контроля внутреннего сопротивления внешних устройств. 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.
Основным отличием заявляемой полезной модели от ближайшего аналога является то, что система автосброса, предназначенная для поддержания рабочего режима сверхпроводникового однофотонного детектора, работает автоматически.
Питание цифровой части может осуществляться от сетевого адаптера.
Источник прецизионного питания может быть выполнен с возможностью подачи на внешнее устройство стабилизированного значения тока или напряжения, постоянного во времени. Альтернативно или в дополнение к этому источник прецизионного питания также может быть выполнен с возможностью подачи на внешнее устройство стабилизированного значения тока или напряжения, изменяющегося в заданном интервале, с одновременной регистрацией сигнала от внешнего устройства.
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 и (или) динамического режимов питания (работы) внешнего устройства. В стационарном режиме задается постоянное во времени стабилизированное значение тока или напряжения на внешнем устройстве. В динамическом режиме стабилизированное значение тока или напряжения изменяется в заданном интервале с одновременным снятием электрического сигнала с внешнего устройства.
Чтобы свести к минимуму влияние наводок и помех, цифровая (I) и аналоговая (II) части источника прецизионного питания гальванически развязаны с помощью гальванической развязки (5).
Аналоговая часть (II) включает в себя источник смещения (6), адаптер питания (7) и усилитель (8) и систему автосброса (9). Источник смещения (6) задает необходимые ток и напряжение для нужного рабочего режима внешнего устройства. Также он обеспечивает функционирование режимов стабилизации тока или напряжения на внешнем устройстве. Адаптер питания (7) осуществляет развязку питания, подаваемого на внешнее устройство, и снимаемого с него электрического сигнала. Усилитель (8) необходим для наблюдения слабого сигнала с внешнего устройства на осциллографе или другой считывающей аппаратуре, когда требуется высокий входной уровень сигнала.
Питание аналоговой части (II) источника прецизионного питания осуществляется от аккумулятора, поскольку он является источником наименьших шумов и наводок во внешнем устройстве, тем самым обеспечивая наиболее стабильную работу последнего. 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.
Заявляемый источник прецизионного питания может быть использован для питания сверхпроводникового однофотонного детектора, являющегося вышеупомянутым внешним устройством. В данном случае основным предназначением источника питания является установка такого уровня тока Ib или напряжения Vb детектора, при котором его квантовая эффективность принимает максимальное значение. Чтобы осуществить такой режим работы детектора, необходимо рабочий ток Ib приблизить как можно ближе к критическому току Ic детектора, выше которого детектор переходит в неустойчивый режим работы. Источник прецизионного питания дает возможность осуществлять как грубую, так и плавную перестройку шага тока или напряжения, тем самым позволяя выставлять необходимые их значения с достаточно высокой точностью. Необходимость в перестраиваемости источника питания связана с тем, что все сверхпроводящие однофотонные детекторы различаются по своим рабочим параметрам, в том числе и по величине критического тока Ic, т.е. каждый отдельный детектор требует задания своего рабочего тока или напряжения.
Другой важной характеристикой источника прецизионного питания являются режимы автоматической стабилизации тока или напряжения, необходимые для стабильного и длительного поддержания оптимального режима работы сверхпроводникового однофотонного детектора. Для этого используется система автосброса. Система автосброса (Фиг. 2) позволяет автоматически вернуть детектор в рабочий режим даже при его переходе в неустойчивое состояние по воздействием, как правило, наводок в электрической цепи. В рабочем режиме сопротивление детектора имеет нулевое значение и, в режиме стабилизации тока смещения, напряжение на детекторе мало ~2 мВ и определяется сопротивлением подведенных высокочастотных кабелей. Однако под воздействием внешних возмущающих факторов (электрические наводки, ослепляющая засветка и т.п.) сверхпроводниковый детектор переходит в неустойчивое состояние и его чувствительность резко падает. Система автосброса отслеживает напряжение на детекторе и, если оно превышает значение порядка 20 мВ, переводит детектор в рабочее состояние путем его кратковременного замыкания на землю.
В частном случае исполнения источника прецизионного питания для питания сверхпроводникового однофотонного детектора предусматривается режим стабилизации по току или по напряжению (на выбор), при этом диапазон изменения тока в режиме стабилизации составляет от -100 до 100 мкА с временной стабильностью не хуже 0,1 мкА, а диапазон изменения напряжения в режиме стабилизации составляет от -100 до 100 мВ с временной стабильностью не хуже 50 мкВ. Шаг перестройки тока в режиме стабилизации составляет 0,5 и 5 мкА соответственно для плавной и грубой регулировки тока. Шаг перестройки напряжения в режиме стабилизации составляет 50 и 500 мкВ соответственно для плавной и грубой регулировки напряжения.
Таким образом, заявляемый источник прецизионного питания позволяет повысить точность и стабильность питания подключаемого внешнего устройства при снижении на нем уровня наводок.