Система электропитания гидроакустического передающего тракта
HYDROACOUSTIC TRANSMISSION PATH POWER SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустической техники и электротехники и предназначено для использования в качестве системы электропитания устройств большой мощности в импульс ном режиме их работы.
Известны системы электропитания, например, описанные в монографии Ю.С. Русина "Электропитание гидроакустической аппаратуры", Л., Судостроение, 1986 г., содержащие силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с шинами переменного напряжения (220 В, 50 Гц) первичного электропитания, а вторичная обмотка, через выпрямитель и емкостный накопитель (ЕН), - с шинами электропитания гидроакустического передающего тракта (ГАПТ). Недостатками подобных устройств являются большие габариты и вес из-за использования в них низкочастотных трансформаторов (50 Гц). Кроме того, применение таких устройств в ГАПТ большой мощности (свыше 2 кВт во время излучения сигнала) со скважностью порядка 20÷50 приводит к ухудшению энергетических характеристик аппаратуры из-за протекания через первичную обмотку трансформатора тока холостого хода в паузе между посылками. Указанные недостатки ограничивают область применения таких устройств в гидроакустических комплексах автономного действия с ограниченным энергоресурсом и жесткими требованиями по тепловыделению передающей аппаратуры.
Известны системы электропитания, например, описанные в патентах США №4217632, 4251857, содержащие первый выпрямитель, входы которого подключены к шинам первичного электропитания, а выходы - через импульсный трансформатор, второй выпрямитель и второй ЕН, - с шинами электропитания ГАПТ. В этих устройствах транзисторный усилитель работает на высокой частоте переключений (порядка 10÷20 кГц), что позволяет значительно уменьшить габариты выходного импульсного трансформатора. Однако использование таких решений связано с большим усложнением системы электропитания (наличие двух выпрямителей и двух ЕН), понижением эффективности и надежности ее работы. В частности, применение транзисторов для управления потоком энергии от первичного источника электропитания требует сложной схемы формирования и предварительного усиления импульсного напряжения. В 2-тактном усилителе возможно протекание сквозных токов, что также связано с понижением надежности устройства. Использование транзисторов для формирования импульсного напряжения в первичной обмотке трансформатора ограничивает уровень выходной мощности системы электропитания, который, как правило, не превышает 0,5…1 кВт. Таким образом, низкая надежность ограничивает применение транзисторных инверторов в системе электропитания ГАПТ с выходной мощностью во время посылки свыше 2 кВт. Для обеспечения указанных уровней выходной мощности ГАПТ большими достоинствами обладает система электропитания, описанная в международном патенте W 0801/101023 H03F 3/21, Н02М 2/44. Она содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого через тиристорный ключ соединена с шинами первичного электропитания, а вторичная обмотка, через выпрямитель и ЕН, - с шинами электропитания передающего тракта, причем вход управления тиристорного ключа соединен с выходом фазосдвигающей цепи, вход которой подключен к соответствующей шине первичного электропитания, а вход управления - к шине эталонного (или опорного) напряжения. Выключение тиристорного ключа в паузе между посылками устраняет потери, вызванные протеканием тока холостого хода, что позволяет использовать подобную систему для электропитания ГАПТ при импульсном режиме его работы. Использование в такой системе тиристорного ключа позволяет обеспечить управление потоком энергии большого уровня мощности при сравнительно простой схеме управления. Однако большая амплитуда токов через тиристоры при их включении, обусловленная подключением напряжения первичного электропитания к ЕН с "нулевым" напряжением на нем в начальный момент заряда, а амплитуда этих токов может более чем в 5…10 раз превышать амплитуду номинального рабочего тока, является весьма существенным недостатком этого устройства. Указанное обстоятельство, особенно при импульсном режиме работы ГАПТ, приводит к периодической работе рассматриваемого устройства в режиме токовой перегрузки, что значительно понижает надежность подобных систем электропитания. Улучшить их надежностные характеристики возможно лишь за счет повышения резервирования, т.е. за счет увеличения массогабаритных характеристик этих устройств.
Наиболее близкой к предлагаемой системе электропитания является система, описанная в авторском свидетельстве №1841316.
Устройство-прототип (фиг.1) содержит последовательно включенные выпрямитель (7) и ЕН (9), входные выводы выпрямителя через тиристорный ключ (5) связаны с выводами для подключения источника переменного напряжения, формирователь импульсов управления (4), выход которого подключен ко входу управления тиристорного ключа, нуль-орган (1), вход которого связан с выводами для подключения источника переменного напряжения, а его выход через схему запрета (2) подключен ко входу синхронизации первого счетчика (3), выход старшего разряда которого соединен с другим входом схемы 2 запрета, а его установочный вход подключен к выводам для подключения пускового сигнала Тцикла, выходы первого счетчика (3) соединены с информационными входами второго счетчика (6), вход синхронизации которого подключен к выходу генератора ВЧ импульсов (11), а установочный вход - к выходу RS-триггера (10), соединенного S-входом с выходом нуль-органа, а R-входом с выходом второго счетчика (6) и входом формирователя импульсов управления (4).
зад.макс
Устройство-прототип используется в ГАПТ, работающем в импульсном режиме с длительностью посылок (10÷20) сек и скважности работы порядка (20÷50) при полном использовании энергии, запасаемой в ЕН. Практически на все время паузы между излучениями сигнал управления отсутствует (Uупр.=0), 1-й N-разрядный счетчик обнулен, а на его инверсных выходах - максимальная величина двоичного кода S макс. Следовательно, на управляющих электродах тиристорного ключа импульсы его запуска имеют постоянную и максимальную по величине задержку включения τ и при разряженном ЕН тиристоры ключа будут открываться при напряжениях на их анодах, близких к нулю. Таким образом, ток через первичную обмотку сетевого трансформатора во время паузы между посылками будет минимальным, что позволило устранить потери в нем на этом интервале времени.
EH
Непосредственно перед излучением, с определенным упреждением, на вход синхронизации 1-го N-разрядного счетчика поступает сигнал Uупр.=1, что является разрешением к уменьшению его входного кода (на единицу для каждого перехода через ноль питающего напряжения U сети) и дискретному уменьшению времени задержки импульсов, запускающих тиристоры ключа. Ток через тиристоры, соответственно и ток заряда ЕН, определяется для каждого цикла подзаряда напряжением ΔU, равным разности между напряжением питающей сети в момент включения тиристоров ключа и напряжением U в этот же момент времени:
сети
зад
зад.мин
В начальной стадии процесса заряда ЕН, при  к тиристорам ключа прикладывается напряжение, ограниченное по величине (при N=4, ΔU < 0,1 U) но максимальное за все время процесса заряда. С каждым переходом через "0" питающего напряжение величина ΔU вначале медленно, а затем все быстрее уменьшается и при задержке включения тиристоров τ = τ ток подзаряда ЕН прекратится. При этом огибающая импульсов подзаряда ЕН по форме близка к правой (относительно оси симметрии) половине колоколообразного импульса. Такой алгоритм процесса заряда ЕН позволил ограничить амплитуду тока заряда в начальной его стадии.
зар
доп.
Вместе с тем устройство-прототип имеет один существенный недостаток. Упомянутую форму огибающей токов подзаряда ЕН в виде половины колоколообразного импульса нельзя считать оптимальной, т.к. большую часть времени, отводимую на процесс заряда ЕН, тиристоры работают с существенным "недогрузом" по току. Если каким-либо образом получить огибающую импульсов подзаряда ЕН в виде, близком к прямоугольному, то можно или сократить время заряда (при токах через тиристоры ключа I ≅ I), или, разгрузив тиристоры, полностью использовать паузу между излучениями для заряда ЕН. При всех прочих равных условиях в последнем варианте явно обнаруживается повышение надежности системы электропитания.
зад
Кроме того, устройство-прототип обеспечивает работу ГАПТ, режим которого можно охарактеризовать как квазиимпульсный. Между тем эти же тракты используются для обзора ближней обстановки (ОБО) с более выраженными импульсными характеристиками режима работы: с длительностями посылок Тизл = (20÷100) мс и скважностями Q = (10÷30). Другой особенностью ГАПТ ОБО является такое их структурное построение, что во время излучения осуществляется не полный, а лишь частный разряд ЕН (до Uен.кон ≥ 0,5 Uен.ном. В этих условиях весьма важно обеспечить начало процесса заряда ЕН сразу после окончания излучения, т.к. любая задержка начала процесса заряда уменьшает его длительность и вынуждает увеличивать токи заряда, протекающие через тиристоры ключа. Использование в ГАПТ ОБО устройства-прототипа с описанным выше алгоритмом его работы затруднено, т.к. значительную часть паузы между излучениями необходимо использовать для формирования задержки включения тиристоров τ, обеспечивающей начало процесса заряда ЕН. Так, при глубине его разряда до 0,5 Uном ЕН этот интервал времени составляет 3 периода питающей сети при разрядности 1-го счетчика N=4 и 10 периодов - при N=6. Таким образом, использование устройства-прототипа в ГАПТ ОБО не сможет обеспечить высокую надежность его работы, а в ряде ситуаций - вообще не обеспечит требуемый режим работы тракта.
Цель изобретения - повышение надежности системы электропитания ГАПТ в импульсном режиме его работы.
Для этого в известное устройство-прототип, состоящее из параллельного соединения емкостного накопителя, управляемого выпрямителя и нуль-органа, первый вход которого соединен с одной из шин питания, а выход - со входом записи второго счетчика, последовательно соединены схемы запрета и первого счетчика, выход переноса которого соединен со вторым входом схемы запрета, N информационных входов второго счетчика соединены с N выходами первого счетчика, вход синхронизации - с выходом генератора ВЧ, первого RS-триггера, R-вход которого соединен с выходом переноса второго счетчика, S-вход соединен с выходом нуль-органа, а выход - со входом формирователя управляющих импульсов, выход которого соединен со входом управляемого выпрямителя, дополнительно введена схема управления направлением и скоростью счета, содержащая датчик тока, второй вход которого соединен со вторым входом нуль-органа, первый вход соединен со второй шиной питания, а выход - со входом дискриминатора уровня, первый выход которого соединен с R-входом второго RS-триггера, а второй - со вторым входом первого логического сумматора, первый вход которого соединен с шиной пускового сигнала, а третий соединен с выходом устройства предварительной установки, второй выход которой соединен с третьим входом нуль-органа, выход первого логического сумматора соединен с входом записи первого счетчика и S -входом второго RS-триггера, выход которого соединен с третьим входом логического коммутатора, второй вход которого соединен со вторым выходом блока формирования частот, а первый вход - с первым выходом блока формирования частот, выход логического коммутатора соединен с первым входом схемы совпадения, а ее второй вход соединен с третьим выходом дискриминатора уровня и через инвертор - с входом управления первого счетчика и со вторым входом схемы разрешения, первый вход которой подключен к третьему выходу блока формирования частот, а третий вход - с выходом N канальной схемы совпадения, входы которой соединены с разрядными выходами первого счетчика, выход схемы разрешения подсоединен ко второму входу второго логического сумматора, первый вход которого соединен с выходом схемы совпадения, а его выход - с первым входом схемы запрета.
Таким образом, предлагаемая система электропитания ГАПТ имеет отличия от прототипа и обладает новизной. При этом заявителю и авторам не известны технические решения, которые могли бы обеспечить минимальную задержку начала процесса заряда частично разряженного ЕН стабилизированными по амплитуде импульсами тока и тем самым повысить надежность электропитания гидроакустической аппаратуры.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа.
На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого устройства; пунктирной линией обведены блоки и связи оригинальной части заявляемой системы электропитания.
На фиг.3 представлены диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства.
На фиг.4 представлена блок-схема логического коммутатора, являющегося составной частью заявляемой системы электропитания.
На фиг.5 приведены диаграммы напряжений, поясняющие принцип формирования выходных сигналов логического коммутатора.
Структурная схема предлагаемой системы электропитания, представленная на фиг.2, состоит из нуль-органа 1, схемы запрета 2, первого счетчика 3, формирователя управляющих импульсов 4, второго счетчика 6, управляемого выпрямителя 8, который может включать в себя тиристорный ключ 5 и неуправляемый выпрямитель 7 из устройства-прототипа, емкостного накопителя 9, первого RS-триггера 10, генератора ВЧ импульсов 11, схемы предварительной установки 12, дискриминатора уровня 13, датчика тока 14, первого логического сумматора 15, второго RS-триггера 16, блока формирователя частот 17, логического коммутатора 18, схемы совпадения 19, схемы разрешения 20, инвертора 21, второго логического сумматора 22 и N-канальной схемы совпадения 23.
Функциональное назначение перечисленных блоков предлагаемой системы электропитания ГАПТ следующее.
Нуль-орган 1 состоит из резистивного делителя, усилителя-ограничителя и дифференцирующего устройства. Усилитель-ограничитель преобразовывает синусоидальное напряжение Кдел × Uсети, поступающее на его вход с делителя напряжения, в импульсный сигнал типа "меандр", фронт и спад которого определяется моментами перехода через ноль напряжения U сети. Дифференцирующее устройство предназначено для формирования коротких импульсов частотой следования 100 Гц (при Uсети = 50 Гц), временное положение которых совпадает с фронтом и спадом выходных сигналов усилителя-ограничителя. Нуль-орган, на второй вход которого поступает сигнал со схемы предварительной установки, блокирующий его выход на (1÷2) сек после подачи на систему электропитания напряжения +5 В, может быть выполнен на микросхемах 564ЛН2 и 564ЛП2, а его выходом может служить элемент 2И-НЕ микросхемы 564 ЛА7.
0
i
N
N+1
N
зар
зар
ном
Первый счетчик 3 служит для формирования линейно-нарастающего (или линейно-спадающего) двоичного кода S, поступающего на разрядные входы S, S, … S второго счетчика 6. Оба счетчика могут быть реализованы на N-разрядных двоичных счетчиках типа 564 ИЕ11. На установочный вход 1-го счетчика с 1-го логического сумматора 15 поступают сигналы (команды), определяющие режим работы всей системы электропитания: первоначальная задержка включения, режим заряда накопителя, режим излучения, аварийный режим. На вход синхронизации этого счетчика через схему запрета 2 поступает последовательность импульсов переменной, зависимой от амплитуды зарядного тока ЕН i, частоты, а на управляющий вход - положительный потенциал, но только на время превышения импульсами зарядного тока i величины, принятой за номинальную (i). В последнем случае 1-й счетчик считает на увеличение кода. Величина кода изменяется от максимального значения Sмакс = 2 - 1 до минимального Sмин = 2 - 1.
N
Схема запрета 2 предотвращает прохождение на вход синхронизации 1-го счетчика выходных сигналов схемы управления направлением и скоростью счета при обнулении выхода старшего разряда 2 кода S 1-го счетчика, что происходит при уменьшении кода S до величины Sмин. Этот элемент устройства может быть реализован на микросхеме 564 ЛА7.
i
к
i
к
зад
к
0
N
Второй счетчик 6 предназначен для формирования последовательности импульсов, временное положение каждого i-того из которых (t) определяет момент включения тиристоров УВ относительно предыдущего перехода через ноль напряжения U сети (t). Разность (t-t), в дальнейшем описании называемая длительностью задержки включения тиристоров τ, в штатном режиме работы ГАПТ при заряде ЕН с каждым переходом через ноль напряжения Uсети дискретно, на определенный отрезок времени, сокращается, приближаясь к моменту времени t кон, в который тиристоры будут включаться при полном амплитудном значении напряжения Uсети, что практически совпадает с прекращением процесса заряда ЕН. На вход предзаписи SЕ этого счетчика поступает последовательность импульсов с выхода нуль-органа, при этом каждый импульс производит запись в счетчик информации, поступающей на его входы S…S.
o
c
N+2
На счетный вход (или вход синхронизации) второго счетчика поступают импульсы с выхода генератора ВЧ 11, реализация которого может быть выполнена на основе триггера Шмидта микросхемы 564 ТЛ1; для обеспечения нормального функционирования второго счетчика частота F генератора 11 должна определяться соотношением: F = 2 - F сети.
зад
вх
о
o
зад
о
зад
мин
о
о
вх
o
Длительность τ определяется величиной двоичного кода S, записываемой вторым счетчиком по поступлению каждого импульса с выхода нуль-органа с частотой F = 2 F сети, и периодом синхронизирующих импульсов Т = 1/F: τ = S⋅Т. Соответственно, длительность τ изменяется от  до τ = Sмин⋅Т = (Тп/2)/2-Т. В устройстве-прототипе при N = 4 и частоте сигналов на входе синхронизации 1-го счетчика 3 F = 100 Гц и 2-го F = 3,2 кГц на каждый переход через ноль питающей сети величина S двоичного кода дискретно уменьшается на единицу от Sмакс = 31 до Sмин = 15, не с неизменным шагом квантования полупериода Uсети  180°/Sмакс ≈ 6. Углом включения тиристоров УВ, равным , определяется и амплитуда первого импульса зарядного тока.
зад
RS-триггер 10 формирует импульсную последовательность с периодом повторения Тп = 1/2 Uсети, но с изменяющейся в процессе заряда ЕН скважностью. Передние фронты импульсов совпадают с поступающими на его S-вход импульсами нуль-органа, а задние - с выходными, задержанными на время τ, импульсами 2-го счетчика, поступающими на его R-вход.
u
Формирователь управляющих импульсов 4 вырабатывает импульсы запуска тиристоров УВ 8 и может быть выполнен, как и в устройстве-прототипе, на инверторе, одновибраторе, определяющем длительность импульсов запуска, и однотактном усилителе с трансформаторным выходом, определяющем энергетические параметры этих импульсов. При выполнении блока 8 на оптотиристорах выходными каскадами формирователя 4 могут служить эмиттерные повторители транзисторных матриц (1HT251, 2ТС622). После инвертирования импульсной последовательности, поступающей на формирователь 4 с RS-триггера 10, на вход одновибратора будут поступать импульсы с изменяющимся во времени (задерживаемым) передним фронтом и жестко связанным с периодом U сети задним фронтом. Формируя импульсы заданной длительности (t≈20 мкс) по переднему фронту входных импульсов, одновибратор обеспечивает включение тиристоров УВ с необходимой задержкой.
зар
зар
Управляемый выпрямитель 8 может быть выполнен в том же виде, как и в устройстве-прототипе (блоки 5 и 7 на фиг.1): тиристорный ключ в одной из фаз питающей сети Uсети и диодный мост. Он может быть выполнен и на тиристорном мосту (с ЕН в диагонали). Его функцией является обеспечение протекания токов подзаряда i через ЕН в одном и том же направлении, несмотря на изменение фазы питающего напряжения Uсети. При этом амплитуды токов i определяются разностью напряжений
приложенных к тиристорам при данной задержке τ' зад их включения, а их длительности  - из условия равенства ΔU = 0.
демпф
зар
демпф
зар
Емкостной накопитель 9 представляет собой батарею электролитических конденсаторов с присоединенной к ней демпфирующей индуктивностью L, ограничивающей крутизну нарастания токов i в моменты включения тиристоров УВ. Номинал L определяется максимальной величиной напряжения ΔU, расчетной величиной тока i и желаемой длительностью его фронта нарастания.
1
2
макс
Схема предварительной установки 12 предназначена для обеспечения необходимых условий штатного функционирования системы электропитания в начальный момент времени, непосредственно после подачи на ее электронную (управляющую) часть напряжения 5 В. Для этого она на время (1÷2) сек (интервал t-t фиг.3,а) выдает на входы нуль-органа 1 и первого логического сумматора 15 напряжение низкого уровня (в дальнейшем "лог.0"). После соответствующего преобразования этими блоками напряжение уже высокого уровня (в дальнейшем "лог.1", фиг.3.д) поступает на установочные S -входы RS-триггеров 10 и 16 и на входы перезаписи SE первого (3) и второго (6) счетчиков. В результате на инверсных выходах первого счетчика 3 записывается максимальное число 5 макс, а второй счетчик 6 формирует максимальную по длительности задержку τ включения тиристоров УВ 8. При этом состояние RS-триггеров обеспечивает начало работы заявляемой системы, т.е. заряд ЕН 9, минимальными токами. Через (1÷2) с выходное напряжение схемы переводится в рабочий режим. Схема 12 может быть выполнена на одном элементе 564 ТЛ1 (триггер Шмидта), одном элементе НЕ микросхемы 564 ЛН2 и времязадающей RC-цепи.
Датчиком тока (ДТ) 14 может служить трансформатор тока, включаемый в одну из шин первичного электропитания. С его выхода на вход дискриминатора уровня (ДУ) 13 поступают пачки импульсов (фиг.2,в), амплитуды которых пропорциональны амплитудам импульсов зарядного тока ЕН9, протекающих через вентили УВ 8.
зар
ДУ 13 предназначен для формирования на трех своих выходах команд, моменты появления которых и их длительность зависят от амплитуд импульсов тока i, поступающих на его вход с ДТ14. ДУ 13 состоит из трех пороговых устройств, вырабатывающих следующие виды команд:
зар
мин
перепад напряжения с "лог.0" в "лог.1" - при i = i (фиг.3.е),
зар
ном
перепад напряжения с "лог.1" в "лог.0" - при i = i (фиг.3,ж),
зар
макс
перепад напряжения с "лог.1" в "лог.0" на время ~5 сек, после чего восстанавливается "лог.1", - при i = i (фиг.3,г).
зар
мин
мин
зар
ном
ном
зар
макс
зар
макс
В соответствии с этим ДУ 13 определяет один из четырех режимов работы заявляемой системы электропитания: "минимального тока" (i < i), "нарастающего тока" (i ≤ i < i), "номинального тока" (i ≤ i < i) и аварийный (i > i). В последнем случае, как видно из диаграмм на фиг.3, исключается возможность включения тиристоров УВ 8 в случае появления случайного режима КЗ на выходе ЕН 9 в процессе его заряда. Это достигается тем, что в аварийном режиме импульс положительной полярности с выхода первого логического сумматора 15 поступает на вход предзаписи первого счетчика, при этом, как отмечалось, на его инверсных выходах записывается максимальное число, определяющее максимальную длительность задержки включения тиристоров УВ 8.
Пороговые устройства ДУ 13 могут быть реализованы, при наличии соответствующих резистивных делителей напряжения, на трех триггерах Шмидта микросхемы 564 TJII, а для формирования отрицательного импульса при аварийном режиме возможно использование и четвертого элемента этой микросхемы, охваченного времязадающей RC-цепью.
Инвертор 21 обеспечивает на входе схемы 20 разрешения и входе управления первого счетчика 3 необходимый уровень сигнала (фиг.3,з) для нормального функционирования системы электропитания в режиме "номинального тока"; он может быть выполнен на одном из шести элементов НЕ микросхемы 564 ЛН2. Его выходной сигнал положительной полярности разрешает прохождение через схему 20 разрешения на вход синхронизации первого счетчика импульсов частотой F 3 с блока 17 формирования частот; одновременно он изменяет направление счета этого счетчика с уменьшения (символ < на диаграмме фиг.3,з при "лог.0") на увеличение (символ > при "лог.1").
5
6
10
Первый логический сумматор 15, выходные сигналы которого представлены на фиг.3, д, предназначен для приведения системы электропитания после каждого цикла излучения (интервал t÷t на фиг.3,б) при штатном ее функционировании и после аварийного режима (момент времени t на фиг.3,в), если причина его возникновения самоликвидировалась, в исходное (начальное) состояние, определяемое максимальной задержкой Тмакс включения тиристоров УВ 8. На его первый вход поступает команда Тцикла (фиг.3,б), определяющая длительности излучения Тизл и паузы Тпаузы между ними; на второй и третий входы поступают сигнал аварийного режима и сигнал задержки включения системы (на 1÷2) сек после подачи питания +5 В, функциональное назначение которых описано выше. Сумматор 15 может быть выполнен на одном элементе 3И-НЕ микросхемы 564 ЛА9.
мин
RS-триггер 16 обеспечивает начало работы системы электропитания с режима "минимального тока", а по достижению сигнала с ДТ 14 порога срабатывания ДУ 13 (i) и изменением своего выходного сигнала с "лог.1" в "лог.0" - перевод работы системы в режим, "нарастающего тока". Это устройство может быть реализовано на одном из триггеров микросхемы 564 ТР2.
Блок 17 формирования частот предназначен для формирования на трех своих выходах последовательностей прямоугольных импульсов типа "меандр" в логическом уровне: на первом выходе частота следования импульсов F1 = (2-3) кГц; на втором выходе F2 = (200-300) Гц, на третьем выходе F3≅10 кГц. Выбор частоты следования импульсов каждой последовательности обусловлен алгоритмом работы заявляемой системы и будет обоснован ниже, при описании работы устройства. Блок 17 может быть выполнен на трех триггерах Шмидта микросхемы 564 ТЛ1.
Функциональное назначение логического коммутатора 18, схемы совпадения 19, схемы разрешения 20 и второго логического сумматора 22 поясним с помощью схемы, приведенной на фиг.4, и диаграмм напряжений на фиг.5, дополняющих диаграммы на фиг.3.
3
3
На входы 1 элементов 2И-НЕ (элементы 18.2 и 18.3 на фиг.4) логического коммутатора 18 с выходов 1 и 2 блока 17 поступают последовательности импульсов частотой следования F1 и F2, на входы 2 этих элементов поступают сигнал с выхода RS-триггера 16 (фиг.5,6), причем на элемент 18.3 через элемент 18.1 Е, т.е. с инверсией. "Лог.1" выходного сигнала RS-триггера разрешает прохождение через элемент 18.2 импульсов частотой F1, а с момента времени t на его входе будет "лог.1" (фиг.5,г); аналогично, но в обратном порядке, будет формироваться выходной сигнал элемента 18.3: до момента t - "лог.1", после чего будет разрешено прохождение импульсов частотой F2 (фиг.5,д). На выходе логического сумматора 18.4, являющегося оконечным элементом логического коммутатора 18 и выполненного также на элементе 2И-НЕ, будет присутствовать сигнал, изображенный на фиг.5,е (и на фиг.3, и).
4
5
зар
ном
ном
4
5
Схема 19 совпадения, выполненная на элементе 2И-НЕ, запрещает прохождение импульсов частотой F2 выходного сигнала логического коммутатора 18 на интервале времени (t÷t), когда зарядный ток i (фиг.3, в) превышает порог срабатывания i ДУ 13. Это происходит в соответствии с логическим уровнем сигнала i (фиг.3,ж и 5,ж) в текущий момент времени. Этим же сигналом, но после инверсии элементом 21, схема разрешения 20 (3И-НЕ) разрешает на интервале времени (t÷t) прохождение импульсов частотой F3 (фиг.3,к и 5,и) на вход второго логического сумматора 22 (элемент 2И-НЕ).
В результате суммирования через схему запрета 2 на вход синхронизации первого счетчика будет поступать последовательность импульсов с чередующейся частотой следования, как это условно изображено на диаграмме фиг.5,к.
зар
В качестве устройства защиты от возможности начала процесса заряда чрезмерными по амплитуде импульсами тока, что возможно при переполнении первого счетчика при счете на увеличение кода, в заявляемой системе электропитания используется N-канальная схема совпадения 23, предназначенная для формирования на своем выходе перепада напряжения из "лог.1" в "лог.0" при достижении первым счетчиком состояния, соответствующего коду S = Sмакс - I. В отсутствие такого устройства при достижении этим счетчиком состояния, соответствующего коду Sмакс, он, с увеличением кода еще на единицу, автоматически переводится в состояние с кодом Sмин и тем самым при последующем включении тиристоров УВ 8 к ним будет приложено значительное по величине напряжение ΔU; соответственно, чрезмерным будет и ток i через тиристоры.
Появление "лог.0" на входе 3 схемы разрешения 20 с выхода схемы 23 прекращает прохождение частоты F3 на вход синхронизации первого счетчика и переводит систему электропитания в режим "минимального тока".
"N"-канальная схема совпадения 23 может быть реализована на двух (при N>4) элементах 4И-НЕ микросхемы 564 ЛА8, оба выхода которой являются входами двух элементов НЕ микросхемы 564 ЛН2, а выходы этих элементов поступают на вход одного элемента 2И-НЕ микросхемы 564 ЛА7; выход последней соединен со входом 3 схемы разрешения 20.
Предлагаемая система электропитания работает следующим образом.
EH
EH
мин
Нагрузкой устройства, подключаемой к выходным клеммам ЕН9, являются усилители мощности (УМ) нескольких каналов усиления ГАПТ суммарной выходной мощностью (5÷10) кВт (в импульсе). При этом следует иметь в виду, что в штатном режиме работы тракта, используемого для ОБО, его ЕН разряжается не полностью, как в прототипе, а до определенного конечного напряжения Uен.кон, т.к. этот уровень напряжения, стабилизируемый на время излучение и является напряжением питания УМ. Такое структурное построение ГАПТ обеспечивает излучение пачек радиоимпульсов с прямоугольной формой огибающей, без "скола", отражающего процесс разряда ЕН во время излучения. Чтобы в этих условиях осуществить заряд ЕН постоянным средним током как при первоначальном включении ГАПТ, когда напряжение на Снак ЕН U = 0, так и при работе, когда процесс заряда начинается при наличии напряжения U = Uен.кон, необходимо надлежащим образом выбрать порог срабатывания i ДУ 13, частоты F1 и F2 блока 17 формирователя частот и разрядность N двоичных счетчиков 3 и 6.
зар
мин
зар
Величина порога i мин должна быть достаточно малой, незначительно превосходя токи удержания тиристоров УВ. Это необходимо для обеспечения условия i' > i, где i' - амплитуда первого импульса зарядного тока при первоначальном включении ГАПТ, определяемая напряжением
Так, при разрядности счетчиков N = 7 и частоте  т.е. шаге квантования полупериода сети , напряжение
зар
зар
мин
вх
вх
зад
определяющее амплитуду i', составляет величину порядка I % от напряжения сети. В этом случае, при i > i, характер процесса заряда определяется последовательностью импульсов частотой F2, поступающей на вход первого счетчика: к каждому переходу напряжения сети через ноль, т.е. с частотой F= 2 Fсети, состояние первого счетчика будет дискретно изменятся на величину Sдискр. = F2/F, задержка включения тиристоров τ, соответственно и угол их включения, также будет изменяться с шагом  (при F2 = 300 Гц угол ). Плавный линейный заряд ЕН.9 до номинального напряжения Uен.ном в данном случае будет осуществлен примерно через 0,5 сек, которое может входить составной частью в длительность предварительной установки (1÷2) сек.
8
9
При неполном разряде напряжения на ЕН, когда после излучения ГАИТом радиоимпульса первый счетчик 3 находится в исходном состоянии, на нем остается напряжение Uен.кон (фиг.3,л, t=t). В этом случае скорость изменения угла включения тиристоров УВ на начальном этапе дозаряда ЕН недостаточна и приводит к значительной потере времени для достижения первым счетчиком состояния, при котором процесс дозаряда только начнется. Так, при упомянутых выше условиях и напряжении Uен.кон, для определенности, равным 0,5 Uен.ном, процесс дозаряда (момент t=t на фиг.3,л) начнется через (7÷8) периодов питающей сети, что может составить до 1/3 времени, отводимого на процесс дозаряда ЕН. Поэтому в заявляемом устройстве первый счетчик переводится в состояние, разрешающее начало процесса дозаряда форсированно, за счет поступления на его вход импульсов с частотой F1. Действительно, при запертых обратным напряжением
зар
мин
вх
тиристорах УВ реализуется режим "минимального тока", т.е. i < i, а это является условием прохождения частоты F1 на вход синхронизации первого счетчика. В этом случае каждому переходу напряжения сети через ноль будет соответствовать изменение состояния счетчика на Sдиск = F1/F и при  угол включения тиристоров изменится на величину
т.е. за один период напряжения сети длительность задержки включения тиристоров обеспечит начало процесса дозаряда ЕН. Чтобы он начался плавно и в дальнейшем происходил линейно, необходимо выполнить условие (для рассматриваемого случая):
которое обеспечит процесс дозаряда ЕН в режиме "нарастающего тока" поступлением на вход синхронизации первого счетчика импульсной последовательности с частотой F2 ≤ 300 Гц.
зар
ном
зар
ном
зад
зар
При превышении тока i порога срабатывания i ДУ 13 частота импульсов на входе синхронизации первого счетчика резко меняется (F3 ≈ 10 кГц), но счетчик начинает считать в противоположную сторону, увеличивая с высокой скоростью величину кода S. Однако в штатном режиме работы заявляемой системы этот процесс весьма быстротечен, он длится только во время превышения импульсом тока i порога i и поэтому величина кода S сможет увеличиться незначительно. Соответственно и время задержки включения тиристоров τ также увеличится, а работа системы будет стремиться вернуться в режим "нарастающего тока". В результате описанного процесса происходит стабилизация амплитуды импульсов тока i и линеаризация активного этапа заряда ЕН.
По мере уменьшения кода S и приближения его к величине S мин напряжение
зар
зар
зад
зад.мин
N
прилагаемое к тиристорам, снижается, амплитуда импульсов типа i также уменьшается и в пределе, без учета тока утечек конденсаторов ЕН, ток i должен прекратиться. Уменьшение кода S до величины S мин приводит к обнулению выхода старшего разряда 2 кода первого счетчика 3, что запрещает прохождение импульсных последовательностей с частотами F1, F2, F3 через схему запрета 2 на вход синхронизации этого счетчика и обеспечивает постоянную величину кода S = Sмин и длительность τ = τ.
мин
ном
ном
6
7
Таким образом, порог срабатывания ДУ 13 i и частота F1 в совокупности определяют длительность режима "минимального тока" и выбираются, исходя из максимальной глубины разряда ЕН ΔUен.макс. Порог срабатывания ДУ 13 i и частота F2 выбираются из такого расчета, чтобы при разряде ЕН на величину ΔUен.макс за время минимальной длительности Тпаузы обеспечить заряд ЕН до Uен = Uен.ном. Выбор величины F2 и i определяет крутизну нарастания напряжения на Снак ЕН в процессе его заряда (интервал t÷t на фиг.3,л). При остальных режимах работы ГАПТ перед каждым циклом излучения равенство Uен = Ueн.ном будет выполняться автоматически, что обеспечивает реализацию требуемых от ГАПТ режимов работы, включая и ОБО.
зар
Линейность нарастания напряжения на ЕН определяется качеством стабилизации амплитуд импульсов тока i, которая во многом зависит от правильного подбора частот F2 и F3.
Предлагаемое устройство, обладая таким качеством прототипа как обеспечение плавности процесса заряда ЕН ограниченными по амплитуде токами его заряда, за счет введения новых блоков и связей допускает возможность использования его в импульсных режимах работы ГАПТ с частичным разрядом его ЕН. Использование в предлагаемой системе электропитания устройства управления скоростью и направлением счета позволяет стабилизировать амплитуду токов заряда ЕН, полностью использовать в процессе заряда ЕН паузу между излучениями, максимально сократить время задержки процесса дозаряда ЕН при его частичном разряде. Все это позволяет эффективнее использовать электрические параметры тиристоров УВ, снизив в целом его массогабаритные показатели при сохранении высокой надежности. Кроме того, предлагаемая система электропитания ГАПТ позволяет снизить пиковую мощность, потребляемую от источника первичного электропитания носителя.
4
Так, если известное устройство при излучаемой мощности 4 кВт способно дозарядить ЕН с Снак = 10 мкф от напряжения 0,5 Uен но до Uен.ном за паузу между излучениями Тпаузы = 0,5 сек при превышении расчетного значения пикового тока заряда среднего его значения в 2 раза, то предлагаемое устройство при тех же условиях осуществляет дозаряд ЕН за время 0,3 сек при неравномерности огибающей пачки импульсов тока заряда не более ±5% от расчетного значения. В условиях регулирования излучаемой мощности и уменьшении глубины разряда ЕН преимущества предлагаемого устройства еще более очевидны.
На предприятии изготовлен опытный образец и проведены экспериментальные испытания предлагаемого устройства, результаты которых подтвердили указанные преимущества заявляемого технического решения по сравнению с известным.
Заявляемое техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности ГАКП и улучшить энергетические показатели аппаратуры электропитания гидроакустических комплексов и их носителей.