УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
TRAVELING-WAVE TUBE POWER SUPPLY DEVICE

Область техники
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в устройствах радиолокации.
Уровень техники
Известны сверхвысокочастотные (СВЧ) усилители, содержащие лампу бегущей волны (ЛБВ), источники питания анода, коллектора, накала, модулятор с источниками напряжений отпирания и запирания ЛБВ (RU 2152125 С1, 27.06.2000; RU 2085022 С1, 20.07.1997; RU 2440672 С1, 20.01.2010).
Системы питания в этих устройствах реализованы с использованием трансформаторов с высоковольтными обмотками, а источники питания накала и модулятора, включая силовые компоненты, привязаны к потенциалу катода и, следовательно, находятся под высоким напряжением (порядка 5-20 кВ). Эти факторы отрицательно сказываются на технических характеристиках устройств, таких как габариты, масса, надежность и технологичность. Кроме того такая структура ограничивает функциональные возможности систем питания СВЧ усилителей. Высокое переменное напряжение вторичных обмоток приводит к вторичным пробоям в пустотах и порах изоляционных материалов, постепенно приводя их к разрушению. Чем выше частота, тем быстрее происходит разрушение. Вторым фактором, ограничивающим рабочую частоту, является отсутствие высоковольтных диодов с малым временем восстановления обратного сопротивления. Кроме того, то обстоятельство, что силовые компоненты находятся под высоким напряжением, затрудняет отвод тепла от них и тем самым снижает надежность и технологичность устройств.
Известен передатчик СВЧ миллиметрового диапазона волн, состоящий из ЛБВ, высокочастотного тракта, источника питания анода и коллектора, которые образованы высоковольтным выпрямителем, первым делителем и усилителем постоянного тока, являющимся элементом, регулирующим напряжения анода. Выходы этих источников соединены с катодом и коллектором соответственно. Кроме того передатчик содержит источник питания, подключенный к подогревателю ЛБВ, и являющийся источником питания накала, модулятор, в состав которого входят, собственно коммутатор, выход которого подключен к управляющему электроду ЛБВ, источники положительного и отрицательного напряжения и схема гальванической развязки. Кроме того передатчик содержит устройство контроля. (RU 2457619 С2, прототип).
Так как в этом передатчике система питания реализована на тех же принципах, что и в выше упомянутые устройства, то ей присущи те же недостатки.
Задачей данного технического решения является улучшение массогабаритных характеристик, надежности, технологичности и расширение функциональных возможностей, как системы питания, так и устройства в целом.
Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство питания ЛБВ, состоящую из источника питания коллектора (ИПК), источника питания анода (ИЛА), источника питания накала (ИПН), источника питания модулятора (ИПМ), фильтра, коммутатора и ЛБВ, причем замедляющая система ЛБВ и положительный вывод источника питания анода соединены с корпусом устройства, а отрицательный вывод через фильтр - с катодом ЛБВ, средний вывод фильтра соединен с корпусом устройства, отрицательный вывод источника питания коллектора соединен с катодом ЛБВ, а положительные выводы соединены с соответствующими коллекторами ЛБВ, выводы источника питания накала соединены с катодом и подогревателем ЛБВ, вывод «общий» источника питания модулятора соединен с катодом ЛБВ, а положительный и отрицательный выходы источника питания модулятора соединены с соответствующими входами коммутатора, выход которого соединен с сеткой ЛБВ, введены измерительное устройство, двунаправленный канал связи, микроконтроллер общего управления и схема стробирования, причем измерительные входы схемы измерения параметров соединены с выходами источника питания накала, источника питания модулятора, и одним из выходов источника питания коллектора, а вход-выход соединен через двунаправленный канал связи с входом-выходом микроконтроллера общего управления, первый интерфейсный вход которого посредством шины внутреннего интерфейса соединен с управляющими входами источника питания коллектора, источника питания анода, источника питания накала и источника питания модулятора, а на второй интерфейсный вход подаются сигналы управления от внешнего источника, управляющий выход микроконтроллера общего управления соединен со входом схемы стробирования, выход которой соединен с входом коммутатора, а на другой вход схемы стробирования подаются импульсы запуска передатчика.
Кроме того, в цепь подогревателя ЛБВ включен датчик тока выход которого подключен к одному из входов измерительного устройства.
Кроме того, в источник питания коллектора, содержащий конвертер и устройство управления, первый ШИМ выход которого соединен с входом конвертера, введены генератор тока и группа трансформаторов со схемами удвоения, подключенными к вторичным обмоткам каждого из них, а выходы схем удвоения соединены последовательно и некоторые из них являются выходами источника питания коллектора, причем устройство управления выполнено на DSP-процессоре, его второй ШИМ выход подключен к управляющему входу генератора тока, а интерфейсный вход, являющийся управляющим входом источника питания коллектора, подключен к шине внутреннего интерфейса, выход генератора тока подключен ко входу конвертера и к измерительному входу устройства управления, при этом выход конвертера подключен к первичным обмоткам группы трансформаторов, соединенным параллельно.
Кроме того, параллельно первичным обмоткам трансформаторов ИПК подключен дроссель.
Кроме того, в ИПК введен диод анодом соединенный с выходом генератора тока, а катодом с шиной питания.
Кроме того, в источник питания анода, содержащий конвертор, датчик тока и устройство управления, первый ШИМ выход которого соединен со входом конвертера, а первый измерительный вход соединен с информационным выходом датчика тока, силовой выход которого является положительным выводом источника питания анода, введены генератор тока и группа трансформаторов со схемами удвоения, подключенными к вторичным обмоткам каждого из них, выходы схем удвоения соединены последовательно, причем положительный вывод первой схемы удвоения соединен с силовым входом датчика тока, отрицательный вывод последней схемы удвоения является отрицательным выходом источника питания анода, а первый промежуточный выход, последовательно соединенных схем удвоения, соединен с вторым измерительным входом устройства управления, причем устройство управления выполнено на DSP-процессоре, его второй ШИМ выход подключен к управляющему входу генератора тока, а интерфейсный вход является управляющим входом источника питания анода, выход генератора тока подключен ко входу конвертера, а выход конвертера подключен к первичным обмоткам группы трансформаторов, соединенных параллельно.
Кроме того, параллельно первичным обмоткам трансформаторов ИПА подключен дроссель.
Кроме того, в ИПА введен диод анодом соединенный с выходом генератора тока, а катодом с шиной питания.
Кроме того, первичные обмотки трансформаторов ИПА выполнены со средней точкой, а выход генератора тока соединяется не с входом конвертера, а со средними точками трансформаторов.
Кроме того, в источник питания накала, содержащий конвертер, устройство управления, первый ШИМ выход которого соединен с управляющим входом конвертера, и трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходом конвертера, а вторичная обмотка соединена с выпрямителем и фильтром, выход которого является выходом источника питания накала, введен генератор тока, а устройство управления выполнено на DSP-процессоре, его второй ШИМ выход подключен к управляющему входу генератора тока, а интерфейсный вход является управляющим входом источника питания накала, выход генератора тока подключен к средней точке первичной обмотки и к первому измерительному входу устройства управления, а второй измерительный вход устройства управления подключен к токовому выходу конвертера.
Кроме того, первичная обмотка трансформатора подключена к конвертеру через понижающий автотрансформатор, средняя точка которого соединена с выходом генератора тока.
Кроме того, в источник питания модулятора, содержащий два выходных фильтра, выходы которых являются положительным и отрицательным выводами источника питания модулятора, а средние точки соединены с выходом «общий» источника питания модулятора, конвертор, устройство управления, первый ШИМ выход которого соединен с управляющим входом конвертора, и трансформатор, введены генератор напряжения и схема удвоения, а устройство управления выполнено на DSP-процессоре, причем его второй ШИМ выход подключен к входу управления генератора напряжения, измерительный вход соединен с выходом генератора напряжения, а интерфейсный вход является управляющим входом источника питания модулятора, первичная обмотка трансформатора через последовательно включенный конденсатор подключена к выходу конвертера, а вторичная обмотка соединена со схемой удвоения, выходы которой соединены с входами выходных фильтров, а средняя точка соединена с выходом «общий».
Кроме того, параллельно первичной обмотке трансформатора ИПМ подключен дроссель.
На фигуре 1 приведена схема устройства питания ЛБВ, на фигуре 2 приведена схема источника питания коллектора, на фигуре 3 приведена схема источника питания анода, на фигуре 4 приведена схема источника питания накала. Устройство питания ЛБВ состоит из источника ИПК (1), источника ИПА (2), источника ИПН (3), измерительного устройства (5), двунаправленного канала связи (6), микроконтроллера общего управления (7), схемы стробирования (8), коммутатора (9), источника ИПМ (10), датчика тока (11), и фильтра (12).
Источник ИПК (1) состоит из схем удвоения (1.1.1, 1.1.2…1.1.N), трансформаторов (l.T.l, 1.Т.2, …1.T.N), конвертера (1.3), генератора тока (1.4), устройства управления (1.5), дросселя (1.6) и диода (1.7).
Источник ИПА (2) состоит из схем удвоения (2.1.1, 2.1.2…2.1.М), трансформаторов (2.Т.1, 2.Т.2, …2.T.N), конвертера (2.4), генератора тока (2.5), устройства управления (2.6), датчика тока (2.7), дросселя (2.8) и диода (2.9).
Источник ИПН (3) состоит из выпрямителя (3.1), трансформатора (3.2), конвертера (3.3), генератора тока (3.4), устройства управления (3.5) и автотрансформатора (3.6).
Источник ИПМ (10) состоит из конвертера (10.1), генератора напряжения (10.2), устройства управления (10.3), конденсатора (10.4), трансформатора (10.Т.1), схемы удвоения (10.6) и выходных фильтров (10.7, 10.8).
Работает устройство питания ЛБВ следующим образом.
При появлении на шине внешнего интерфейса сигнала или команды на включение микроконтроллер общего управления 7, по шине внутреннего интерфейса, передает команды на включение источников ИПМ 10 и ИПН 3. Выходные напряжения источника ИПМ 10 поступают на вход коммутатора 9, который, в исходном состоянии, пропускает на выход отрицательное напряжение, запирая тем самым ЛБВ 4. Напряжение с выхода источника ИПН поступает через датчик тока 11 на подогреватель ЛБВ 4. Если не требуется высокая точность поддержания тока накала, то датчик тока 11 может не использоваться. Вместе с тем напряжения с выходов источников ИПН 3, ИПМ 10 и выхода датчика тока 11 поступают на входы измерительного устройства 5, которое, в частности, может быть реализовано на микроконтроллере с соответствующими цепями масштабирования и инвертирования. Измеренные значения напряжений и тока, измерительное устройство 5, в цифровой форме, через двунаправленный канал связи 6, передает на микроконтроллер общего управления 7, который, в свою очередь, посредством шины внутреннего интерфейса, передает эту информацию в источники ИПК 1, ИПА 2, ИПМ 10 и ИПН 3. На основании этой информации устройства управления этих источников корректируют параметры преобразования таким образом, чтобы поддержать выходные значения токов и напряжений в заданных пределах. После установления на выходе источника ИПМ 10 заданных значений микроконтроллер общего управления 7 передает по шине внутреннего интерфейса команду на включение источника ИПК 1, а потом команду на включение источника ИПА 2. Измерительное устройство 5 передает измеренное значение выходного напряжения источника ИПК 1 через двунаправленный канал связи 6 на микроконтроллер общего управления 7, который, в свою очередь, передает ее в источник ИПК 1, который, на основании этой информации, корректирует параметры преобразования таким образом, чтобы поддержать выходное напряжение в заданных пределах. Получив информацию о состоянии от источников ИПК 1, ИПА 2, ИПН 3, ИПМ 10 и от измерительного устройства 5, по истечении времени разогрева катода, микроконтроллер общего управления 7 подает сигнал на схему стробирования 8 и тем самым разрешает прохождение импульсов запуска передатчика (ИЗП) на вход коммутатора 9, который, в свою очередь, подает положительное напряжение с выхода источника ИПМ 10 на управляющий электрод ЛБВ 4. Как схема стробирования 8, так и двунаправленный канал связи 6, должны обеспечивать гальваническую развязку передаваемых сигналов.
Источник ИПК 1 работает следующим образом. При поступлении по шине внутреннего интерфейса команды на включение, устройство управления 1.5 по первому ШИМ выходу выдает сигналы управления на конвертер, который, в частности, может быть выполнен по мостовой схеме. Одновременно со второго ШИМ выхода устройства управления 1.5 сигналы, модулированные по ширине, поступают на вход генератора тока
1.4. Постоянный ток с выхода генератора тока 1.4 конвертером 1.3 преобразуется в переменный и поступает на трансформаторы 1.Т.1, 1.Т.2…1.T.N. Напряжение с вторичных обмоток этих трансформаторов поступает на схемы удвоения 1.1.1, 1.1.2…1.1.N, где выпрямляется, фильтруется и удваивается. Напряжения Uкол на выходе источника ИПК 1 и U1.4 на выходе генератора тока 1.4 связаны соотношением:
Uкол=(2K1+2K2+…+2KN)⋅U1.4,
где: K1, K2,. …KN - коэффициенты трансформации трансформаторов 1.Т. 1, 1.Т.2, …1.T.N соответственно. Таким образом, стабилизируя напряжение на выходе генератора тока 1.4, за счет обратной связи с выхода генератора тока 1.4 на измерительный вход устройства управления 1.5, получим стабильное напряжение на выходе. Это выражение не учитывает падение напряжения на обмотках, диодах и т.д., по этому, в данном случае, нельзя получить точность регулирования выходного напряжения выше нескольких процентов. Если необходима более высокая точность, то следует задействовать канал цифровой обратной связи, описанный выше. Диод 1.6 ограничивает выброс напряжения на выходе генератора тока 1.4, в том случае, когда алгоритм работы конвертера 1.3 предусматривает разомкнутое состояние всех ключей, для обеспечения мягкого переключения диодов схем удвоения 1.1.1, 1.1.2, …1.1.N.
Источник питания ИПА 2 работает следующим образом. При поступлении по шине внутреннего интерфейса команды на включение, устройство управления 2.5 по первому ШИМ выходу выдает сигналы управления на конвертер 2.3, который может быть выполнен как по мостовой, так и по пушпульной схеме, но в последнем случае первичные обмотки трансформаторов 2.Т.1, 2.Т.2…2.Т.М должны быть выполнены со средней точкой. Одновременно со второго ШИМ выхода устройства управления 2.5 сигналы, модулированные по ширине, поступают на вход генератора тока 2.4. Постоянный ток с выхода генератора тока 2.4 конвертером 2.3 преобразуется в переменный и поступает на трансформаторы 2.Т.1, 2.Т.2…2.Т.М. Напряжение с вторичных обмоток этих трансформаторов поступает на схемы удвоения 2.1.1, 2.1.2…2.1.М, где выпрямляется, фильтруется и удваивается. С выхода схемы удвоения 2.1.1 напряжение обратной связи поступает на второй измерительный вход устройства управления 2.5. Таким образом, осуществляется стабилизация напряжения на ее выходе. Поскольку обратная связь осуществляется с выхода схемы удвоения, то все дестабилизирующие факторы компенсируются устройством управления 2.5, что позволяет добиться высокой стабильности выходного напряжения источника питания анода ИПА 2. При протекании тока нагрузки через датчик тока 2.6, напряжение, пропорциональное величине тока нагрузки, поступает на первый измерительный вход устройства управления 2.5. Если его значение превышает заданный предел, то устройство управления 2.5, посредством шины внутреннего интерфейса, передает информацию об этом в микроконтроллер общего управления, который, в свою очередь, осуществляет выключение всех источников с заданной последовательностью и блокирует прохождение сигналов ИЗП через схему стробирования 8. Диод 2.7 ограничивает выброс напряжения на выходе генератора тока 2.4, в том случае, когда алгоритм работы конвертера 2.3 предусматривает разомкнутое состояние всех ключей, для обеспечения мягкого переключения диодов схем удвоения 2.1.1, 2.1.2, …2.1.М.
Источник питания накала ИПН 3 работает следующим образом. При поступлении по шине внутреннего интерфейса команды на включение, устройство управления 3.5 по первому ШИМ выходу выдает сигналы управления на конвертер 3.3, который может быть выполнен как по мостовой, так и по пушпульной схеме, последняя, учитывая малую мощность этого источника, предпочтительней. Одновременно со второго ШИМ выхода устройства управления 3.5 сигналы, модулированные по ширине, поступают на вход генератора тока 3.4. Постоянный ток с выхода генератора тока 3.4 конвертером 3.3 преобразуется в переменный и поступает на трансформатор 3.2. Напряжение вторичной обмотки поступает на выпрямитель 3.1, где выпрямляется, фильтруется и поступает на выход источника. С токового выхода конвертера 3.3 напряжение обратной связи, пропорциональное току, коммутируемому конвертером 3.3, поступает на второй измерительный вход устройства управления 3.5. Вместе с тем напряжение с выхода генератора тока 3.4 поступает на первый измерительный вход устройства управления 3.5. Первое время после включения, устройство управления 3.5, сравнивая напряжение с токового выхода конвертера 3.3 с заданием, регулирует ШИМ сигнал, поступающий на вход генератора тока 3.4, таким образом, чтобы обеспечить, в соответствии с заданием, постоянный ток на выходе генератора тока 3.4 и, как следствие, ток накала ЛБВ. После прогрева накала устройство управления 3.5, сравнивая напряжение с выхода конвертера 3.3 с заданием, регулирует ШИМ сигнал, поступающий на вход генератора тока 3.4, таким образом, чтобы обеспечить, в соответствии с заданием, постоянное напряжение на выходе генератора тока 3.4 и, как следствие, напряжение накала ЛБВ. Для повышения точности стабилизации как тока, так и напряжения используется канал цифровой обратной связи, описанный выше. В некоторых случаях, когда затруднительно увеличивать число витков первичной обмотки, например при выполнении их печатным способом, целесообразно подключать первичную обмотку трансформатора 3.2 к конвертеру 3.3 через автотрансформатор 3.6. Схема такого подключения приведена на фигуре. 4.
Источник питания модулятора ИПМ 10 работает следующим образом. При поступлении по шине внутреннего интерфейса команды на включение, устройство управления 10.3 по первому ШИМ выходу выдает сигналы управления на конвертер 10.1, который может быть выполнен, в частности, по полумостовой схеме, а по второму ШИМ выходу модулированные по ширине сигналы, которые поступают на генератор напряжения 10.2.
Устройство управления 10.3. за счет напряжения обратной связи, поступающего с выхода генератора напряжения 10.2, регулирует ШИМ сигнал, поступающий на вход генератора напряжения 10.2, таким образом, чтобы обеспечить, в соответствии с заданием, постоянное напряжение на его выходе, пропорциональное сумме положительного и отрицательного напряжений на выходе источника питания модулятора ИПМ 10. Напряжение с выхода генератора напряжения 10.2 поступает на конвертер 10.1. При этом сигналы с первого ШИМ выхода устройство управления 10.3 поддерживает время +t открытого состояния транзистора конвертера 10.1, обеспечивающего положительную фазу напряжения на выходе трансформатора 10.Т, и время -t открытого состояния транзистора конвертера 10.1, обеспечивающего отрицательную фазу напряжения на выходе трансформатора 10.Т, в соответствии с выражением:
-t/+t = +Uвых/-Uвых,
где: -Uвых и +Uвых - напряжение на отрицательном и положительном выходах источника ИПМ 10.
Переменное напряжение с выхода конвертера 10.1, поступает на первичную обмотку трансформатора 10.Т, последовательно с которой включен конденсатор 10.4, обеспечивающий разницу амплитуд на выходе трансформатора при рассимметрировании конвертера 10.1. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 10.Т поступает на схему удвоения 10.6, где положительные и отрицательные импульсы выпрямляются, фильтруются и в виде постоянных напряжений +Uвых, -Uвых, через дополнительные фильтры 10.7 и 10.8, поступают на выход источника ИПМ 10. Для повышения точности стабилизации выходных напряжений используется канал цифровой обратной связи, описанный выше.
Для трансформаторов источников ИПК 1 и ИПА 2 целесообразнее использовать U-образные сердечники, на каждом из стержней которых размещается катушка с первичной и вторичной обмотками. Первичные обмотки могут соединяться как последовательно, так и параллельно, а вторичные обмотки соединяются со схемами удвоения, выходы которых соединяются последовательно. Схема такого трансформатора 1.Т. 1 приведена на фигуре 2. Такое решение позволяет, в ряде случаев, сократить количество трансформаторов в два раза.