РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ С ФУНКЦИЕЙ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ВЫХОДОМ
CONTROLLED HIGH-STABLE VOLTAGE SOURCE WITH ARBITRARY-SHAPED SIGNAL GENERATOR FUNCTION WITH ISOLATED OUTPUT

Заявляемое устройство регулируемый высокостабильный источник напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы с изолированным выходом относится к источникам напряжения с задаваемой функцией изменения выходного сигнала относительно изолированного выхода находящегося под высоковольтным напряжением, поступающим от малошумящего прецизионного канала питания. Устройство предназначено для проведения измерений и исследований в различных областях науки и промышленности, в частности для обеспечения питания аналитических систем в аналитическом приборостроении и экспериментальной физике напряжениями изменяющимися во времени по задаваемым законам.
Для реализации схемы питания аналитической части прибора или установки от регулируемого высокостабильного источника напряжения с возможностью генерирования сигналов произвольной формы с изолированным выходом, как правило, применяются два решения. Первое, это используется усилитель питания с необходимой амплитудой выходных сигналов, форма которых задается от многофункционального генератора сигналов с возможностью формирования сигналов сложного и произвольного вида. При этом возможно использование изолированного выхода генератора, что позволяет задавать сигналы относительно потенциала уровня изолированного выхода. Второе, это использование непосредственно современных многофункциональных генераторов на основе цифровых технологий, формирующих сигналы сложной и произвольной форм. У таких генераторов может быть изолированный выход.
Известен [1] высоковольтный линейный дифференциальный усилитель, на вход которого подаются положительное и отрицательное управляющие (усиливаемые) напряжения или от встроенного генератора, вырабатывающего синусоидальные, треугольные и прямоугольные импульсы регулируемой амплитуды и частоты. Прибор имеет два линейных усилителя (инвертирующий и не инвертирующий) работающих в диапазоне 0,4-3,0 кВ, при помощи которых получают парафазный выходной сигнал, что создает на выходе эффект удвоения амплитуды. К недостаткам такого прибора можно отнести: отсутствие изолированного выхода, что не дает возможности получать сигналы относительно уровня потенциала изолированного выхода в широком диапазоне значений, отсутствие канала синхронизации, для получения сигналов, отличающихся от форм, обеспечиваемых встроенным генератором.
Устройство [2] одноканальный усилитель вырабатывает сигналы в диапазоне от - 200V до +200 В. Форму сигналов можно задавать от внешнего генератора сигналов. Диапазон частот выходного сигнала усилителя 500 кГц. К недостаткам такого прибора можно отнести: отсутствие изолированного выхода, что не дает возможности получать сигналы относительно уровня потенциала изолированного выхода в широком диапазоне его значений, не широкий диапазон сигналов на выходе усилителя, отсутствие канала синхронизации, необходим внешний генератор сигналов.
Отсутствие изолированного выхода и использование стороннего генератора сигналов произвольной формы является общим недостатком у подобных усилителей [3-6] отличающихся только диапазоном выходных напряжений и частот выходного сигнала.
В качестве регулируемого высокостабильного источника напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы можно рассмотреть устройства [7,8], являющимися по сути генераторами сигналов реализованных на основе цифровых технологий, формирующих сигналы сложной и произвольной форм. Устройство [7] характеризуется амплитудой сигнала до 20 В и отсутствием гальванической развязки земли сигнальных цепей с земляной шиной (изолированного выхода), а устройство [8] характеризуется еще меньшей амплитудой выходного сигнала, но имеет режим смещения сигнала относительно потенциала земли на -5+5 В. Оба устройства могут генерировать постоянный стабильный сигнал, но не более 20 В и 10 В, соответственно.
Устройство регулируемого источника напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы с изолированным выходом [9] ближайшее из известных, выбранное в качестве прототипа. В этом устройстве, содержащем плату управления, генератор сигналов произвольной формы, канал синхронизации, усилитель, изолированный выход. Рассматриваемое устройство, построенное на основе цифровых технологий - это современный многофункциональный генератор, позволяющий получать выходные сигналы заданной формы, в частности стабильное постоянное напряжение. Наличие изолированного выхода позволяет формировать сигналы относительно потенциала выхода. Существенными недостатками этого устройства являются очень малая амплитуда выходного сигнала (до 10 В) и маленький потенциал изолированного выхода (42 В максимум).
Задачей изобретения является увеличение амплитуды сигнала на 2-3 порядка, увеличение потенциала уровня изолированного выхода на 2-3 порядка.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве регулируемого источника напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы с изолированным выходом устройство управления соединено с внутренним генератором формы сигналов через оптический канал связи, а выход внутреннего генератора формы сигналов соединен со входом высоковольтного усилителя с изолированным выходом, при этом на усилитель и генератор формы сигналов поступает напряжение от гальванически развязанного высоковольтного преобразователя питающего напряжения, а на устройство управления и гальванически развязанный высоковольтный преобразователь питающего напряжения поступает напряжение от блока питания.
Заявляемое устройство регулируемого изолированного высоковольтного источника напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы с изолированным выходом схематично представлено на фигуре 1. Предлагаемое устройство содержит блок питания устройства (1), на вход которого подается напряжение U пит.После блока питания (1) напряжение питания постоянного тока подается на гальванически развязанный высоковольтный преобразователь питающего напряжения (2) и устройство управления (3), обеспечивающее связь с внешними устройствами через входной разъем RS-485 (4), выходной разъем RS-485 (5), USB разъем (6) и разъем входа синхронизации (7). Оптический канал связи (8) подключен к генератору формы сигналов (9), входящему в состав высоковольтной изоляции выхода (10), состоящей из гальванически развязанного высоковольтного преобразователя питающего напряжения (2), выход (11) которого подключен к генератору формы сигналов (9), а выход (12) подключен к высоковольтному усилителю (13) с изолированным выходом (14).
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Напряжение питания U пит. подается на вход блока питания (1), осуществляющего преобразование переменного питающего напряжения в постоянное стабилизированное напряжение. Стабилизированное напряжение, выходящее из блока питания (1) поступает: на гальванически развязанный высоковольтный преобразователь питающего напряжения (2) и устройство управления (3) обеспечивающее связь внешних устройств через разъемы (4- 7). От устройства управления (3) управляющий сигнал в цифровом виде при помощи оптического канала связи (8) поступает в генератор формы сигналов (9), так же на генератор формы сигналов (9) поступает питающее напряжение от гальванически развязанного высоковольтного преобразователя питающего напряжения (2) по выходу (11). Генератор формы сигнала (9) вырабатывает аналоговый сигнал, который через высоковольтный ускоритель (13) поступает на изолированный выход (14), на поступает от разъема (6) на вход устройства управления (2). Генератор формы сигналов (8) вырабатывает аналоговый сигнал, поступающий в высоковольтный усилитель (9) с изолированным выходом (10).
Предложенные технические решения позволяют увеличить амплитуду выходного сигнала произвольной формы на 2-3 порядка и потенциал уровня высоковольтного изолированного выхода на 2 порядка.
Кроме того, использование высоковольтной гальванической развязки между выходным и питающим напряжениями, использование оптического канала связи с устройством управления существенно расширяют функциональные возможности предлагаемого устройства.
Источники информации
1. http://www.leysop.com/m5000.htm
2. http://www.taborelec.com/9100а
3. https://www.itrc.narl.org.tw/Research/Product/Engineering/bipolar-e.php
4. http://www.trekinc.com/products/HV_Amp.asp
5. http://www.advanced-energy.com/en/10HVA_20HVA_Series.html
6. http://prist.ru/produce.php/card/meas.htm?id=-73 8268721#t=main
7. http://lib.chipdip.ru/393/DOC001393536.pdf
8. http://www.platan.ru/shem/pdf/generator.pdf
9. https://www.dipaul.ru/catalog/pribor_generator_special_form_Agilent/