Импульсный источник вторичного электропитания беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания (ИВЭП), например усилителя мощности беспилотного летательного аппарата (БПЛА), и может быть использована в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.
В качестве прототипа, то есть устройства наиболее близкого к предлагаемому по технической сущности, выбран стабилизированный импульсный источник вторичного электропитания беспилотного летательного аппарата (патенту на полезную модель №144517, 2014 г., МПК Н02М 3/00, опубликовано 27.08.2014 г.). Устройство-прототип содержит входной фильтр напряжения с конденсаторами и дросселями, силовой ключ, ШИМ-контроллер, изолирующий силовой трансформатор, выпрямитель напряжения питания, фильтр напряжения питания, оптрон, выходной выпрямитель напряжения, выходной фильтр напряжения с конденсаторами и дросселем, источник опорного напряжения.
Недостатком данного устройства является невозможность динамической регулировки выходного напряжения для импульсной нагрузки.
Решаемой задачей является динамическая регулировка выходного напряжения источника вторичного электропитания, для импульсных потребителей в составе БПЛА.
Указанный результат достигается за счет введения в состав переключателя (ПК) с управляющим входом и двойного цифрового потенциометра (ДЦП) с шиной данных.
Сущность полезной модели заключается в том, что в импульсном источнике вторичного электропитания БПЛА, содержатся ШИМ-контроллер с выпрямителем напряжения питания (ВНП) и фильтром напряжения питания (ФНП), силовой ключ (СК), изолирующий силовой трансформатор (ИСТ), выходной выпрямитель напряжения (ВВН), а также входной и выходной фильтры напряжения (ФН) в виде конденсаторов, источник опорного напряжения (ИОН), оптрон в виде светодиода (СД) и находящегося с ним в оптическом контакте фототранзистора (ФТ), входной ФН, который дополнительно снабжен сдвоенным и одинарным дросселями, установленными последовательно, и, по меньшей мере, вторым и третьим конденсаторами, а выходной ФН - одинарным дросселем и, по меньшей мере, вторым конденсатором, причем конденсаторы установлены на входах и выходах упомянутых дросселей входного и выходного ФН, кроме того в качестве ВВН применен диод Шоттки, при этом ко входам входного ФН подключена бортовая сеть электропитания БПЛА, а к его второму выходу - первый вход СК, к выходу которого и первому выходу входного ФН подключены соответственно второй и первый входы первичной обмотки ИСТ, первый выход вторичной обмотки ИСТ через ВВН подключен к первому входу выходного ФН, а второй выход вторичной обмотки - ко второму входу выходного ФН, первый и второй выходы которого подключены к потребителям БПЛА, одновременно к первому выходу ВВН подключен вход СД оптрона, выход которого подключен ко входу ИОН, а выход последнего подключен к третьему и четвертому выводу ДЦП, первый и второй входы которого подключены ко второму и третьему выходу ПК, кроме того, выходы обмотки обратной связи ИСТ подключены ко входам ВНП, выходы которого подключены ко входам ФНП, третий выход последнего подключен ко входу ФТ оптрона, а его выход - к третьему входу (входу обратной связи) ШИМ-контроллера, первый и второй выходы ФНП подключены соответственно к первому и второму входам (входам питания) ШИМ-контроллера, а выход (управляющий выход) последнего подключен ко второму входу (управляющему входу) СК.
Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении, назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо р-n перехода, как у обычных диодов) и имеют большее быстродействие по сравнению с обычными диодами, применяются для уменьшения пульсации напряжения и повышения КПД.
ШИМ-контроллер - контроллер широтно-импульсной модуляции (Свободная энциклопедия Википедия).
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой фиг. 1, где:
1 - входной фильтр напряжения (ФН);
2, 4, 6, 14 и 16 - конденсаторы;
3 - сдвоенный дроссель (СД);
5 и 15 - одинарные дроссели (ОД);
7 - силовой ключ (СК);
8 - изолирующий силовой трансформатор (ИСТ);
9 - первичная обмотка (ПО) ИСТ;
10 - вторичная обмотка (ВО) ИСТ;
11 - обмотка обратной связи (ООС) ИСТ;
12 - выходной выпрямитель напряжения (ВВН);
13 - выходной фильтр напряжения (ФН);
17 - выпрямитель напряжения питания (ВНП);
18 - фильтр напряжения питания (ФНП);
19 - оптрон;
20 - фототранзистор (ФТ);
21 - светодиод (СД);
22 - источник опорного напряжения (ИОН);
23 - ШИМ-контроллер;
24 - переключатель (ПК);
25 - двухканальный цифровой потенциометр (ДЦП).
Заявляемый импульсный источник вторичного электропитания БПЛА работает следующим образом.
1
1
Электропитание от бортовой сети (БС, на схеме не показана) поступает на входы**( ** - на схеме не обозначены) входного фильтра напряжения (ФН) 1 и соответственно на первый конденсатор 2, на сдвоенный дроссель (СД) 3, и далее на второй конденсатор 4, одинарный дроссель (ОД) 5 и третий конденсатор 6, при этом входной ФН 1 обеспечивает защиту от синфазных помех, создаваемых питающей БС, посредством СД 3 и конденсаторов 2 и 4 на его входе и выходе, а также защиту БС БПЛА от электромагнитных помех, создаваемых ИВЭП посредством ОД 5 и конденсаторов 4 и 6 на его входе и выходе, со второго выхода входного ФН 1 напряжение через первый вход силового ключа (СК) 7 поступает на второй вход первичной обмотки (ПО) 9 изолирующего силового трансформатора (ИСТ) 8, а с первого выхода входного ФН 1 - на первый вход ПО 9 ИСТ 8, при открытии СК 7 ток в ПО 9 линейно увеличивается, а в вторичной обмотке (ВО) 10 происходит накопление энергии, при закрытии СК 7 магнитный поток в сердечнике** ИСТ 8 уменьшается, что вызывает токи в ВО 10 и в обмотке обратной связи (ООС) 11, далее напряжение с первого выхода ВО 10 через выходной выпрямитель напряжения (ВВН) 12, где производится выпрямление напряжения посредством диода Шоттки, поступает на первый вход выходного ФН 13, а со второго выхода ВО 10 - на второй вход выходного ФН 13, и, соответственно на его первый конденсатор 14, где происходит накопление выпрямленного напряжения, далее на ОД 5 и второй конденсатор 6, при этом выходной ФН 13 обеспечивает защиту потребителей БПЛА от помех, создаваемых самим ИВЭП, посредством ОД 15 и конденсаторов 14 и 16 на его входе и выходе, одновременно с первого выхода ВВН 12 напряжение поступает на вход светодиода (СД) 21 оптрона 19, а с выхода СД 21 - на вход источника опорного напряжения (ИОН) 22, где формируется стабильное опорное напряжение относительно выходов ИВЭП, а с выхода** ИОН 22 напряжение поступает на первый и второй вход ДЦП 24, который может изменять свое сопротивление, тем самым изменяя ток через СД 21, сопротивление ДЦП 24 изменяется через третий вход ДЦП 24 путем подачи команды с внешнего устройства**, изменение тока протекающего через СД 21, в свою очередь, вызывает изменение выходного напряжения ИВЭП, первый и второй выход ДЦП 24 соединены с первым и вторым входами ПК 23, выход которого соединен со вторым выходом ФН 13, при подаче сигнала «Управление переключателем» (УПР П) с внешнего устройства** ПК 23 коммутирует один из входов ДЦП 24 на второй вывод ФН 13, при использовании одного из входов ДЦП 24 другой остается неподключенным, что дает возможность изменить его сопротивление во время или между включением импульсной нагрузки, тем самым обеспечивая динамическую регулировку выходного напряжения ИВЭП с возможностью изменения выходного напряжения «от импульса к импульсу», при этом при уменьшении (увеличении) напряжения на первом выходе ВВН 12, которое может быть вызвано изменением нагрузки потребителей (на схеме не показаны), ток, проходящий через СД 21 оптрона 19 уменьшается (увеличивается), при этом СД 21 светится менее (более) интенсивно, затем излучение (фотопоток) от СД 21 поступает на фототранзистор (ФТ) 20, при этом менее интенсивное излучение СД 21 вызывает не полное открытие ФТ 20, что излучения СД 21, напряжение с выхода** ФТ 20 поступает на третий управляющий вход ШИМ-контроллера 23, уменьшая проходящий через него ток и напряжение на выходе, а более интенсивное излучение СД 21 - более полное открытие ФТ 20, что, соответственно, увеличивает проходящий через него ток и напряжение на выходе, затем, измененное интенсивностью с выхода последнего - на второй вход СК 7, напряжение с ООС 11 ИСТ 8 поступает на входы выпрямителя напряжения питания (ВНП) 17, где происходит выпрямление этого напряжения, с выходов ВНП 17 напряжение поступает на входы фильтра напряжения питания (ФНП) 18, с первого и второго выходов которого напряжение поступает соответственно на первый и второй входы питания ШИМ-контроллера 23 (описание см. ниже), с третьего выхода ФНП 18 напряжение питания поступает на вход ФТ 20 оптрона 19, при этом увеличение напряжения на первом выходе ВВН 12, и соответственно, на входе** ФТ 20, посредством излучения от СД 21, уменьшает ширину импульса на выходе ШИМ-контроллера 23 и, соответственно, уменьшает энергию, передаваемую от бортовой сети БПЛА через ИВЭП потребителям БПЛА, а уменьшение напряжения на первом выходе ВВН 12, и соответственно, на входе** ФТ 20, посредством излучения от СД 21, увеличивает ширину импульса на выходе ШИМ-контроллера 23, и, соответственно, увеличивает энергию, передаваемую от бортовой сети БПЛА через ИВЭП потребителям БПЛА.
ШИМ-контроллер (контроллер широтно-импульсной модуляции) 23 представляет собой интегрированную микросхему для ИВЭП, которая преобразует ток на входе управления в рабочем цикле в ток на выходе с открытым стоком силового высоковольтного MOSFET транзистора (на схеме не показан), при увеличении (уменьшении) тока нагрузки ШИМ-контроллер 23 увеличивает (уменьшает) время открытого состояния силового ключа и компенсирует тем самым изменение вторичного напряжения на выходах ИВЭП.
Принцип динамической регулировки выходного напряжения поясняется также временной диаграммой фиг. 2, где график 1 показывает выходное напряжение ИВЭП, график 5 показывает импульсную коммутацию нагрузки на ИВЭП, в зависимости от положения ПК 23 (см. график 2) на ИОН 22 переключается один из каналов ДЦП (график 3, график 4). При необходимости изменить выходное напряжение (временной отрезок 2) происходит переключение ПК 23, в момент отключения импульсной нагрузки (см. график 5). Для изменения выходного напряжения «от импульса к импульсу» во временном отрезке 2 после коммутации ПК 23 на второй канал ДЦП 24, происходит изменение сопротивления первого канала ДЦП 24 (см. график 4) во временном отрезке 2. Во временном отрезке 3, во время отсутствия нагрузки (см. график 5) происходит переключение ПК 23 на первый канал ДЦП 24, что вызывает изменение напряжения на ИОН 22, так как ранее значение сопротивления первого канала ДЦП 24 было изменено. Таким образом, обеспечивается изменение выходного напряжения ИВЭП, в том числе «от импульса к импульсу».
Представленные описание и структурная схема заявляемого импульсного источника вторичного электропитания БПЛА позволяют, используя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия, изготовить его промышленным способом и использовать в радиосвязи, радиолокации и других областях техники для питания различных устройств, например усилителя мощности БПЛА.