СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания, например усилителя мощности беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и может быть использована в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.
7
За прототип выбран стабилизированный импульсный источник вторичного электропитания питания по патенту РФ №2210851, 2001 г., МПК H02M 3/335, опубл. 20.08.2003 г.
Устройство - прототип содержит ШИМ-контроллер с выпрямителем напряжения питания и фильтром напряжения питания, транзистор (силовой ключ∗ - название в заявляемом устройстве), трансформатор (изолирующий силовой трансформатор∗), выходной выпрямитель напряжения в виде диода, а также входной и выходной фильтры напряжения в виде конденсаторов.
Устройство - прототип позволяет стабилизировать выходное напряжение, но имеет недостатки:
- недостаточная защищенность бортовой сети (БС) БПЛА от электромагнитных помех, создаваемых источником вторичного электропитания (ИВЭП);
- недостаточная защищенность ИВЭП от синфазных помех, создаваемых питающей БС БПЛА;
- недостаточная защищенность потребителей (составных частей) БПЛА от помех, создаваемых ИВЭП;
- высокая пульсации выходного напряжения из-за невозможности полной компенсации изменений выходного напряжения при изменении нагрузки потребителей.
Решаемой задачей является повышение стабильности путем введения защиты от помех и уменьшения пульсации выходного напряжения электропитания потребителей в составе БПЛА.
Сущность полезной модели заключается в том, что стабилизированном импульсном источнике вторичного электропитания беспилотного летательного аппарата (БПЛА), содержащий 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, в состав введены источник опорного напряжения (ИОН) и оптрон в виде светодиода (СД) и, находящегося с ним в оптическом контакте, фототранзистора (ФТ), входной ФН дополнительно снабжен сдвоенным и одиночным дросселями, установленными последовательно, и, по меньшей мере, вторым и третьим конденсаторами, а выходной ФН - одиночным 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 ко второму выходу выходного ВН, 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 p-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, где:
1 - входной фильтр напряжения (ФН);
2, 4, 6, 14 и 16 - конденсаторы;
3 - сдвоенный дроссель (СД);
5 и 15 - одиночные 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.
Заявляемый стабилизированный импульсный источник вторичного электропитания (ИВЭП) БПЛА работает следующим образом.
)
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, одиночный 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 (СЧ) 7 поступает на второй вход первичной обмотки (ПО) 9 изолирующего силового трансформатора (ИСТ) 8, а с первого выхода входного ФН 1 - на первый вход первичной обмотки (ПО) 9 ИСТ 8, при открытии СК 7 ток в ПО 9 линейно увеличивается, а в 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 фильтра напряжения (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 15 и второй конденсатор 16, 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 второй выход выходного ФН 13, причем 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 уменьшает 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 излучения СД 21 напряжение с выхода∗∗ ФТ 20 поступает на третий управляющий вход ШИМ-контроллера 23, а 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, таким образом, снижение пульсации выходного напряжения, т.е. полная компенсация его изменений (стабилизация) при изменении нагрузки потребителей, обеспечивается упомянутыми ИОН 22 и оптроном 19, а также применением в качестве ВВН 12 диода Шоттки, затем окончательно стабилизированное вторичное напряжение питания с выходов 1 и 2 выходного ФН 13 поступает потребителям (на схеме не показаны) из состава 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.
Кроме того, ШИМ-контроллер 23 обеспечивает ограничение тока, компенсации схемы петли управления, автоматический перезапуск и температурную защиту, а также плавный пуск в течение 5 мс, ограничение пиковых токов и напряжений во время запуска, уменьшает или устраняет выходные выбросы, использует высокую частоту коммутации (300 кГц), что позволяет использовать небольшие размеры трансформатора, и пропуск импульсов ШИМ работы при малой нагрузке, что минимизирует энергопотребление в режиме холостого хода (обычно входной ток <10 мА).
Технический результат от использования полезной модели и совокупность отличительных признаков для его достижения:
- повышение защищенности БС БПЛА от электромагнитных помех, создаваемых ИВЭП, введением одиночного дросселя и установкой на его входе и выходе основного и дополнительного конденсаторов во входном ФН;
- повышение защищенности ИВЭП от синфазных помех, создаваемых питающей БС БПЛА, введением сдвоенного дросселя и установкой на его входе и выходе основного и дополнительного конденсаторов во входном ФН;
- повышение защищенности потребителей (составных частей) БПЛА от помех, создаваемых ИВЭП, введением одиночного дросселя и установкой на его входе и выходе основного и дополнительного конденсаторов в выходном ФН;
- снижение пульсации выходного напряжения путем обеспечения полной компенсации изменений выходного напряжения при изменении нагрузки потребителей, введением источника опорного напряжения и оптрона в цепи обратной связи, а также применением в качестве выходного выпрямителя напряжения диода Шоттки.
Представленные описание и структурная схема заявляемого стабилизированного 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.