ВТОРИЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
SECONDARY PULSE POWER SUPPLY OF FIBER-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и предназначено для обеспечения питания волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), входящих в состав бесплатформенных инерциальных навигационных систем летательных аппаратов (ЛА). Вторичный импульсный источник питания ВОГ относится к классу «DC - DC» преобразователей или блоку питания вторичному.
ВОГ состоит из двух функциональных узлов - оптического блока и блока обработки. Оптический блок предназначен для преобразования одной физической величины - угловой скорости вращения, в другую - электрический сигнал. Блок обработки формирует фазовый модулирующий сигнал для управления оптическим блоком, детектирует полезную составляющую выходного сигнала оптического блока, преобразует его амплитуду в цифровой код и производит коррекцию кода для повышения точности измерения угловой скорости.
Известно устройство питания ВОГ на основе преобразователя напряжения ПН9С (Преобразователь напряжения ПН9С. Схема электрическая принципиальная. ПИКВ.436731.020Э3. ПНППК, Пермь, 2016). Данное устройство обеспечивает питание оптического блока и блока обработки ВОГ. Преобразователь напряжения выполнен на основе унифицированных модулей питания (на микросхемах) для блока обработки и линейного интегрального стабилизатора для оптического блока. Для развязки друг от друга источников питания оптического блока и блока обработки по цепи запуска с целью повышения помехоустойчивости работы схемы используется оптопара, которая срабатывает после снятия сигнала OFF_PWR из оптического блока.
Недостатком данного устройства является наличие непосредственной связи между входными и выходными шинами, что, в целом, снижает помехоустойчивость устройства.
Наиболее близким аналогом является вторичный импульсный источник питания (International Rectifier ARM28XXT series hybrid - high reliability 1 mega-rad hardened DC/DC converter, www.irf.com), содержащий входной фильтр, высокочастотный преобразователь с функцией стабилизации напряжения, узел обратной связи по напряжению с гальванической развязкой, силовой трансформатор, три канальных выпрямителя, три выходных фильтра.
Данное устройство реализовано в унифицированных модулях питания отечественного (например, серия МДМ «Александер электрик») и зарубежного производства ("International Rectifier" серия ARM28XXT). Однако известному устройству присущи недостатки в связи с тем, что в нем использован метод групповой стабилизации напряжения (сигнал обратной связи снимается только с выхода основного канала). Главным недостатком такой структуры является низкая стабильность напряжения дополнительных каналов. В зависимости от тока нагрузки основного канала выходное напряжение остальных каналов может существенно меняться за счет изменения падения напряжения на диодах выпрямителя и обмотках трансформатора. Кроме того унифицированные преобразователи работают на разных частотах генерации, что повышает уровень пульсаций выходных напряжений и снижает помехоустойчивость схемы.
Для функционирования блока обработки ВОГ требуется пять источников напряжений, не связанных по общим шинам с питанием оптического блока.
Оптический блок выдает электрический сигнал на включение питания блока обработки только после прогрева лазерного модуля (в оптическом блоке) до требуемой температуры. Так как величина импульсов входного тока усилителя не превышает единиц наноампер, длительностью около двух десятков наносекунд и частотой не менее сотни мегагерц, то необходимо обеспечить высокую помехоустойчивость работы электрической схемы оптического блока и гальванически разделить питания оптического блока и блока обработки.
Техническая проблема заключается в создании надежного и помехоустойчивого вторичного источника питания ВОГ импульсного типа в условиях воздействия внешних факторов ионизирующего излучения на ЛА.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, являются повышения надежности работы и помехоустойчивости, с гальванически разделенными питаниями оптического блока и блока обработки.
Данные технические результаты достигаются тем, что во вторичном импульсном источнике питания ВОГ, содержащем входной фильтр, вход которого является первым входом вторичного импульсного источника питания ВОГ, последовательно соединенные первый силовой импульсный трансформатор, первый выпрямитель и первый выходной фильтр, последовательно соединенные вторые выпрямитель и выходной фильтр, последовательно соединенные третьи выпрямитель и выходной фильтр, новым является то, что дополнительно введены второй силовой импульсный трансформатор, импульсный трансформатор, первый и второй преобразователи напряжения, схема запуска, четвертые, пятые и шестые выпрямители и выходные фильтры, первый, второй, третий, четвертый пятый и шестой линейные стабилизаторы, импульсный стабилизатор напряжения, вход которого соединен с выходом входного фильтра, а выход соединен через первый преобразователь напряжения с входом первого силового импульсного трансформатора и с первым входом второго преобразователя напряжения, выход которого соединен с входом второго силового импульсного трансформатора, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выпрямителей, выходы четвертого, пятого и шестого выпрямителей соединены соответственно с входами четвертого, пятого и шестого выходных фильтров, выходы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого выходных фильтров соединены соответственно с входами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого линейных стабилизаторов, выходы которых являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами вторичного импульсного источника питания ВОГ, при этом выход первого линейного стабилизатора соединен с первым входом схемы запуска, второй вход которой соединен со вторым выходом первого силового импульсного трансформатора, а третий вход - является вторым входом вторичного импульсного источника питания ВОГ, выход схемы запуска соединен через импульсный трансформатор со вторым входом второго преобразователя напряжения.
Для обеспечения гальванической развязки выходных каналов от первичного источника питания, в состав вторичного импульсного источника питания ВОГ входит высокочастотное звено преобразования постоянного напряжения в переменное: первый и второй силовые импульсные трансформаторы. Обратное преобразование (выпрямление и фильтрация напряжения) осуществляется на выходе трансформатора.
Первый выход вторичного импульсного источника питания ВОГ предназначен для питания оптического блока. Остальные выходы вторичного импульсного источника питания ВОГ предназначены для питания блока обработки.
С целью обеспечения питания блока обработки дополнительно введены импульсный стабилизатор напряжения, второй силовой импульсный трансформатор, импульсный трансформатор (маломощный, развязывающий), первый и второй преобразователи напряжения, схема запуска, четвертые, пятые и шестые выпрямители и выходные фильтры, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой линейные стабилизаторы, с выходов которых формируются пять напряжений питания для блока обработки. Включение питания блока обработки осуществляет схема запуска, на которую приходят напряжение питания с выхода первого линейного стабилизатора, прямоугольные импульсы с первого силового трансформатора и сигнал включения питания (Вкл) из оптического блока.
Повышение надежности работы вторичного импульсного источника питания ВОГ достигается применением импульсных трансформаторных развязок между входными и выходными цепями оптического блока и блока обработки по общим шинам и сигналу запуска, за счет чего уменьшается амплитуда напряжений высокочастотных помех в цепях питания микросхем и тем самым повышается помехоустойчивость работы ВОГ.
Питания оптического блока и блока обработки развязаны, причем, подаются последовательно друг за другом. При подаче входного напряжения 27 В сначала формируется напряжение для оптического блока, а затем при поступлении внешнего сигнала управления (после нагрева лазерного модуля в оптическом блоке) вторичное питающее напряжение поступает в блок обработки.
Улучшение качества стабилизации выходных напряжений достигается за счет применения нескольких последовательно включенных друг за другом схем. На входе источника питания ВОГ установлен входной фильтр, далее последовательно включен понижающий импульсный стабилизатор напряжения, уменьшающий пульсации входного напряжения и увеличивающий ток в нагрузке. Затем для обеспечения гальванической развязки входа от выхода использован первый преобразователь напряжения, нагруженный на первый силовой импульсный трансформатор, с выходной обмотки которого импульсное напряжение преобразуется выпрямителями, выходным фильтром в постоянное напряжение. Окончательную стабилизацию напряжений выполняют выходные линейные стабилизаторы. Для развязки питания оптического блока и блока обработки по цепи включения использован третий маломощный импульсный трансформатор, управляемый схемой запуска. Все это в совокупности повышает надежность устройства.
На фиг. 1 приведена структурная схема вторичного импульсного источника питания ВОГ. На фиг. 2 приведен вариант реализации схемы входного фильтра и импульсного стабилизатора напряжения, на фиг, 3 приведен вариант реализации схемы первых преобразователя напряжения и силового импульсного трансформатора, на фиг. 4 приведен вариант реализации схемы вторых преобразователя напряжения и силового импульсного трансформатора, на фиг. 5 приведен вариант реализации схемы третьего маломощного импульсного трансформатора и схемы запуска, на фиг. 6 приведен вариант реализации схемы каждого выпрямителя, каждого выходного фильтра и каждого линейного стабилизатора.
Вторичный импульсный источника питания ВОГ (фиг. 1) содержит входной фильтр 1, импульсный стабилизатор 2 напряжения, первый 3 и второй 4 преобразователи напряжения, первый 5 и второй 6 силовые, импульсные трансформаторы, импульсный трансформатор 7, схема 8 запуска, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 выпрямители, первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18, пятый 19 и шестой 20 выходные фильтры, первый 21, второй 22, третий 23, четвертый 24, пятый 25 и шестой 26 линейные стабилизаторы.
Вход (Пит) входного фильтра 1 является первым входом вторичного импульсного источника питания ВОГ, а выход соединен с входом импульсного стабилизатора 2 напряжения, выход которого соединен с входом первого преобразователя 3 напряжения и с первым входом второго преобразователя 4 напряжения. Выход первого преобразователя 3 напряжения соединен с последовательно соединенными первым силовым импульсным трансформатором 5, первым выпрямителем 9, первым выходным фильтром 15 и первым линейным стабилизатором 21, выход которого соединен с первым входом (U1) схемы 8 запуска. Второй вход (F1) схемы 8 запуска соединен со вторым выходом первого силового импульсного трансформатора 5. Третий вход (Вкл) схемы 8 запуска является вторым входом вторичного импульсного источника питания ВОГ, а выход схемы 8 запуска соединен через импульсный трансформатор 7 со вторым входом второго преобразователя 4 напряжения, выход которого соединен с входом второго силового импульсного трансформатора 6. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы второго силового импульсного трансформатора 6 соединены соответственно с входами второго 10, третьего 11, четвертого 12, пятого 13 и шестого 14 выпрямителей. Выходы второго 10, третьего 11, четвертого 12, пятого 13 и шестого 14 выпрямителей соединены соответственно с входами второго 16, третьего 17, четвертого 18, пятого 19 и шестого 20 выходных фильтров, выходы которых соединены соответственно с входами второго 22, третьего 23, четвертого 24, пятого 25 и шестого 26 линейных стабилизаторов. Выходы первого 21, второго 22, третьего 23, четвертого 24, пятого 25 и шестого 26 линейных стабилизаторов являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым, выходами вторичного импульсного источника питания ВОГ.
Входной фильтр 1 (фиг. 2) может быть выполнен на конденсаторах С1-С11, трансформаторе Т1 и дросселе L1. Входной фильтр 1 предназначен для снижения амплитуды пульсаций входного напряжения ВОГ.
Импульсный стабилизатор 2 напряжения (фиг. 2) может включать резисторы R1-R19, транзисторы VT1, VT2, диоды VD1 - VD4, транзисторные сборки D1 - D3, конденсаторы С12 - С17, дроссели L2, L3, стабилитрон VD5. Импульсный стабилизатор 2 напряжения понижает входное напряжение до 12 В и увеличивает допустимый ток нагрузки.
Первый преобразователь 3 напряжения (фиг. 3) может быть выполнен на дросселе L4, микросхеме DA1, резисторах R14, R20 - R22, R29 - R31, R37 - R40, конденсаторах С18, С20, С22, С24, С26, С28, С30 - С35, транзисторах VT2, VT3. Первый преобразователь 3 осуществляет преобразование постоянного напряжения в импульсное для обеспечения гальванической развязки питаний оптического блока и блока обработки.
Первый силовой импульсный трансформатор 5 (фиг. 3) выполнен на трансформаторе Т2 из ферритового кольца М2500НМ7-58 размером К16×10×4,5 мм. Первичные обмотки Т2 содержит по 80 витков проводов, каждая диаметром 0,35 мм, а вторичные - по 30 витков, каждая диаметром по 0,35 мм.
Вторые преобразователь 4 напряжения и силовой импульсный трансформатор 6 (фиг. 4) могут быть выполнены на дросселе L5, резисторах R15, R32, R33, конденсаторах С19, С21, С23, С25, С27, С29, транзисторах VT4, VT5 и трансформаторе Т4 из ферритового кольца М2500НМ7-58 К28×16×9 мм. Первичные обмотки Т4 содержит по 80 витков проводов, каждая диаметром 0,35 мм, а все вторичные - по 60 витков, каждая диаметром по 0,25 мм. Второй преобразователь 4 осуществляет преобразование постоянного напряжения в импульсное для обеспечения гальванической развязки питаний оптического блока и блока обработки.
Схема 8 запуска и маломощный импульсный трансформатор 7 (фиг. 5). могут быть выполнены на: транзисторных сборках D4, D5, диодах VD6 - VD9, резисторах R23 - R28, R34 - R36 и трансформаторе Т3 типа ТИЛ3В. Схема запуска 8 включает питание блока обработки и обеспечивает гальваническую развязку оптического блока и блока обработки по цепи управления.
Каждый (первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14) выпрямитель (фиг. 6) может включать: диоды VD10, VD11, резисторы R42, R48, конденсаторы С37. Каждый выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение.
Каждый (первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18, пятый 19 и шестой 20) выходной фильтр (фиг. 6) может быть выполнен на конденсаторах С43, С49. Каждый фильтр уменьшает пульсации выходного напряжения.
Каждый (первый 21, второй 22, третий 23, четвертый 24, пятый 25 и шестой 26) линейный стабилизатор (фиг. 6) может быть выполнен на микросхеме DA3, резисторах R54, R60, конденсаторах С55, С61. Каждый линейный стабилизатор устанавливает амплитуду выходного напряжения и допустимый ток нагрузки, а также дополнительно уменьшает пульсации выходного напряжения.
Вторичный импульсный источник питания ВОГ работает следующим образом.
С входного фильтра 1 напряжение питания 27 В подается на импульсный стабилизатор 2 напряжения. Импульсный стабилизатор 2 напряжения формирует стабильное выходное напряжение 12 В, которое подается на первый 3 и второй 4 преобразователи напряжения. Первый 3 и второй 4 преобразователи напряжения обеспечивают питание оптического блока и блока обработки, соответственно. Транзисторы VT2, VT3 первого преобразователя 3 напряжения попеременно подключают первичные обмотки первого силового импульсного трансформатора 5 к выходу импульсного стабилизатора 2 напряжения, обеспечивая преобразование, постоянного напряжения в переменное. Со второго силового трансформатора 5 переменное напряжение поступает на первый выпрямитель 9, далее на первый выходной фильтр 15 и первый линейный стабилизатор 21. Таким образом, после подачи внешнего напряжения формируется питание оптического блока. Второй преобразователь 4 напряжения находится в режиме ожидания (питание блока обработки не формируется).
При подаче внешнего постоянного сигнала (Вкл) на включение питания блока обработки в схеме 8 запуска открываются транзисторы D4.A, D5.A, и питание оптического бока (U1) подается на среднюю точку первичной обмотки маломощного импульсного трансформатора 7, необходимого для обеспечения гальванической развязки питания оптического блока и блока обработки по цепи запуска. Со второго выхода первого силового импульсного трансформатора 5 на второй вход схемы 8 запуска поступает последовательность прямоугольных импульсов (F1). Запускающие импульсы через схему 8 запуска поступают на маломощный, импульсный трансформатор 7. В результате чего с маломощного импульсного трансформатора 7 импульсные сигналы управления через резисторы R32, R33 поступают на второй вход второго преобразователя 4 напряжения - затворы транзисторов VT4 и VT5. Второй преобразователь 4 напряжения обеспечивает попеременное подключение первичных обмоток второго силового импульсного трансформатора 6 к выходу импульсного стабилизатора 2 напряжения, вследствие чего на вторичных обмотках второго силового импульсного трансформатора 6 формируется переменное напряжение. Второй силовой импульсный трансформатор 6 содержит необходимое количество вторичных обмоток, с которых переменное напряжение поступает на выпрямители 10, …, 14, выходные фильтры 16, …, 20 и линейные стабилизаторы 22, …, 26.