Вторичный источник питания для электронно-оптического преобразователя

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для получения необходимых высоковольтных напряжений, обеспечивающих работоспособность электронно-оптического преобразователя (ЭОП), в широком диапазоне уровней освещенности плоскости фотокатода.
Известен целый ряд вторичных источников питания для электронно-оптических преобразователей, предназначенных для получения на выходе напряжений, необходимых для питания ЭОП (например, патент РФ №45862, патент РФ №68779, H01L 27/ 142).
фк1
фк2
мкп
экр
Согласно патенту РФ №68779, вторичный источник питания содержит преобразователь напряжения, источник опорного напряжения (ИОН), микроконтроллер, два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП1 и ЦАП2), интегратор автоматической регулировки яркости (АРЯ), ключевое устройство, генераторы синусоидальных сигналов, умножители напряжений. В состав микроконтроллера входит температурный датчик, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и схема защиты от засветок высокого уровня (СЗЗВУ). Преобразователь формирует постоянное напряжение для питания микроконтроллера, источника опорного напряжения ИОН и цифроаналоговых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2. Микроконтроллер предназначен для управления режимами работы вторичного источника питания и корректировки выходных напряжений в зависимости от внешних воздействующих факторов. Цифроаналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2 задают режим работы генераторов. Ключевое устройство служит для уменьшения времени готовности вторичного источника питания (времени, за которое выходные напряжения устанавливаются на уровень 0,9 от номинальных значений). Генераторы предназначены для формирования синусоидальных сигналов, которые затем передаются на умножители, а умножители, в свою очередь, формируют высокие постоянные выходные напряжения U, U, U, U. Эффективность данного технического решения заключается в том, что устройство, имеющее небольшие габариты и вес, позволяет автоматически производить корректировку выходных напряжений умножителей при воздействии засветок высокого уровня, изменении входного напряжения и температуры окружающей среды.
Известен также вторичный импульсный источник питания для электронно-оптического преобразователя, содержащий преобразователь напряжения, микроконтроллер, два цифроаналоговых преобразователя, аналого-цифровой преобразователь, усилитель автоматической регулировки яркости, блок ключевой, усилители напряжений микроканальной пластины, фотокатода и Экрана, умножители напряжений, интерфейс (патент РФ №2342737, H01L 27/L142, прототип). В известном устройстве обеспечивается автоматическая корректировка выходных напряжений умножителей в зависимости от температуры окружающей среды при одновременном контроле тока автоматической регулировки яркости и изменение режима формирования напряжения фотокатода в зависимости от уровня освещенности на фотокатоде. Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона освещенности электронно-оптического преобразователя, формирование сигналов управления без применения внешних схем, уменьшение габаритов устройства. Эффективность данного известного технического решения характеризуется тем, что устройство, имеет небольшие габариты и вес и при этом позволяет автоматически производить корректировку выходных напряжений умножителей в зависимости от температуры окружающей среды, выполнять цифровую регулировку уровней напряжений МКП, Экрана и тока АРЯ по шине данных и уменьшать время срабатывания АРЯ. Предусмотренный импульсный режим работы увеличивает диапазон освещенности, при котором сохраняется работоспособность ЭОПа.
К недостаткам технических решений выше перечисленных устройств следует отнести, во первых, отсутствие технической возможности внешнего ручного регулирования коэффициента преобразования МКП, в условиях неравномерной освещенности плоскости фотокатода, когда автоматический регулятор яркости Экрана задает такую величину напряжения МКП, при которой происходит снижение качества изображения на Экране, вследствие того, что ток Экрана является интегральной величиной и соответствует средней величине яркости Экрана. Во вторых, недостатком известных устройств является высокий уровень тока потребления от первичного источника питания, что обусловлено применением параметрических усилителей напряжений питания вакуумного блока, работающих на постоянной частоте в режиме усиления класса «А», без технической возможности программной подстройки оптимальной частоты. Кроме того, данные устройства достаточно материалоемкие и сложны в изготовлении, вследствие применения большего числа микросхем.
Технической задачей данной полезной модели является расширение арсенала технических средств данного назначения с одновременным улучшением технических характеристик.
Техническим результатом полезной модели является создание вторичного источника питания для электронно-оптического преобразователя, с обеспечением новых и более высоких технических и эксплуатационных характеристик
Заявленный технический результат обеспечивается тем, что вторичный источник питания для электронно-оптического преобразователя, согласно полезной модели, характеризуется тем, что он содержит преобразователь напряжения, микроконтроллер, умножитель напряжений микроканальной пластины (МКП), умножитель напряжения Экрана, умножитель напряжения фотокатода (ФК), управляемый инвертор напряжения питания микроканальной пластины (МКП), управляемый инвертор напряжения питания Экрана, преобразователь тока Экрана в напряжение, цифроаналоговый преобразователь напряжения фотокатода, управляемый инвертор напряжения питания фотокатода, умножитель напряжения питания микроканальной пластины, умножитель напряжения питания Экрана, умножитель напряжения питания фотокатода, высоковольтный ключ управления запирающим напряжением фотокатода, высоковольтный ключ управления отпирающим напряжением фотокатода, блок защиты фотокатода от сверхтока, схему формирования управляющего сигнала для микроконтроллера, входы преобразователя напряжений соединены с входной шиной и общей шиной, первый выход преобразователя напряжений соединен с первым входом микроконтроллера и входом питания указанной схемы формирования управляющего сигнала, а второй и третий входы микроконтроллера связаны соответственно с цифровым выходом схемы формирования управляющего сигнала для микроконтроллера, и аналоговым выходом указанной схемы, первый выход микроконтроллера соединен с первым входом высоковольтного ключа запирающего напряжения фотокатода, второй вход которого связан со вторым выходом преобразователя напряжения, второй выход микроконтроллера, связан с первым входом высоковольтного ключа отпирающего напряжения фотокатода, третий выход микроконтроллера связан с тактовым входом инвертора напряжения фотокатода, четвертый - с первым входом цифро - аналогового преобразователя (ЦАП) фотокатода, с выхода которого на второй вход указанного инвертора напряжения питания фотокатода подается сигнал, для задания уровня напряжения питания фотокатода, выход указанного инвертора ФК связан с входом умножителя напряжения фотокатода, выход которого связан со вторым входом высоковольтного ключа отпирающего напряжения фотокатода, выход которого соединен с выходом высоковольтного ключа запирающего напряжения фотокатода и с входом схемы защиты фотокатода от сверхтока, пятый и шестой выходы микроконтроллера связаны, соответственно, с тактовым входом инвертора напряжения МКП и с входом управления уровнем напряжения питания, поступающего на вход умножителя напряжения питания МКП, седьмой и восьмой выходы микроконтроллера связаны с инвертором напряжения Экрана, соответственно, с его тактовым входом и входом управления уровнем напряжения питания, поступающего на вход умножителя напряжения Экрана, вход которого связан с первым выходом указанного инвертора напряжения Экрана, первый выход умножителя напряжения Экрана соединен с первым входом преобразователя тока Экрана в напряжение, выход которого связан с четвертым входом микроконтроллера, выход умножителя напряжения микроканальной пластины, второй выход умножителя напряжения Экрана, выход схемы защиты фотокатода от сверхтока являются выходами вторичного источника питания для электронно-оптического преобразователя, при этом схема формирования управляющего сигнала для микроконтроллера включает стабилитрон, первый, второй и третий резисторы, первый резистор одним выводом подключен к входу «Управление/программирование», а его другой вывод является выходом аналогового согнала «управление» и подключен ко второму и третьему резисторам и катоду стабилитрона, анод которого подключен к общей шине, при этом другой вывод второго резистора соединен с первым выходом преобразователя напряжения, а другой вывод третьего резистора является выходом цифрового сигнала «программирование».
На чертеже показана структурная схема устройства согласно полезной модели.
Вторичный источник питания для электронно-оптического преобразователя, согласно полезной модели, содержит преобразователь 1 напряжения питания, включающий блок 2 защиты от подачи обратного напряжения питания, первый стабилизатор 3 напряжения питания устройства+3,3 В, второй стабилизатор 4 напряжения питания микроконтроллера 5 (далее МК5), цифро-аналоговый преобразователь 6 управляющего напряжения (отпирающего) фотокатода (ФК), управляемый инвертор 7 напряжения питания микроканальной пластины (МКП), управляемый инвертор 8 напряжения питания Экрана, преобразователь 9 тока Экрана в напряжение, управляемый инвертор 10 напряжения питания фотокатода (ФК), умножитель 11 напряжения питания микроканальной пластины (МКП), умножитель 12 напряжения питания Экрана, умножитель 13 напряжения питания фотокатода (ФК), высоковольтный ключ 14 управления запирающим напряжением фотокатода, высоковольтный ключ 15 управления отпирающим напряжением фотокатода, блок 16 защиты фотокатода от сверхтока. Кроме того устройство содержит схему 17 формирования управляющего сигнала для микроконтроллера 5, которая включает в себя резисторы 18,19,20 и стабилитрон 21.
Работа устройства согласно полезной модели заключается в следующем.
Питание устройства осуществляется от внешнего источника питания постоянного тока с уровнем напряжения от +1,8В до +5,5В. Напряжение питание подается на преобразователь напряжения 1, включающий указанные выше соединенные последовательно блок 2 защиты от подачи обратного напряжения питания (выполненный, например, как р-канальный транзистор, при неправильном подключении проводов устройство не включается, после устранения неправильного подключения устройство функционирует в номинальном режиме) и первый стабилизатор 3 напряжения питания, который формирует стабилизированное напряжение питания +3,3В. Выход первого стабилизатора 3 напряжения питания подключен ко второму стабилизатору 4 напряжения питания, формирующему напряжение +3,0В для МК5.
Выход первого стабилизатора 3 напряжения является первым выходом преобразователя напряжения 1, выход второго стабилизатора 4 является вторым выходом преобразователя напряжения 1.
Основным блоком устройства является микроконтроллер 5, выполняемый с большой степенью интеграции, который, преимущественно, содержит в своем составе многоканальный аналогово-цифровой преобразователь (блок 23), два независимых цифро-аналоговых преобразователя, источник опорного напряжения, датчик температуры, четыре модуля широтно-импульсного модулятора для создания импульсных последовательностей для инверторов напряжения и широтно-импульсного модулятора фотокатода (не показаны), один асинхронный последовательный полудуплексный приемопередатчик (блок 22), а также два сектора памяти для создания системы обновления ПО пользователя (не показаны).
Стабилизированное напряжение питания +3,0В поступает на первый вход микроконтроллера 5. На второй и третий входы микроконтроллера 5 от схемы 17 поступают управляющие сигналы, на блок 22 цифровой сигнал для полудуплексного приемопередатчика и на блок 23 аналоговый сигнал с внешнего переменного резистора ручного регулирования коэффициента преобразования МКП, соответственно.
С первого выхода микроконтроллера 5 цифровой сигнал с первого встроенного широтно-импульсного модулятора МК 5, его положительная фаза, поступает на высоковольтный ключ 14 запирающего напряжения фотокатода. Со второго выхода микроконтроллера 5 отрицательная фаза этого сигнала, поступает на первый вход высоковольтного ключа 15 отпирающего напряжения фотокатода. На второй вход высоковольтного ключа 14 со второго выхода преобразователя 1 поступает питающее напряжения +3,3В, являющееся запирающим напряжением для фотокатода.
Третий выход микроконтроллера 5 цифровой сигнал, который является выходом другого встроенного широтно-импульсного модулятора МК 5, связан с тактовым входом инвертора 10 напряжения фотокатода, четвертый выход МК 5 связан с первым входом ЦАП 6 фотокатода, с выхода которого на второй вход указанного инвертора 10 напряжения питания фотокатода подается сигнал, для задания уровня напряжения питания фотокатода. На выходе указанного инвертора 10 формируется соответствующее переменное напряжение, которое поступает на вход умножителя 13 напряжения фотокатода. Выход умножителя 13 напряжения фотокатода связан со вторым входом высоковольтного ключа 15 отпирающего напряжения фотокатода. Выходы блоков 14 и 15 объединены между собой и связаны с входом схемы 16 защиты фотокатода от сверхтока, с выхода которой на фотокатод поступает питающее напряжение.
Пятый выход МК5, являющийся выходом третьего встроенного широтно-импульсного модулятора МК5, и шестой выход, являющийся выходом первого встроенного ЦАП микроконтроллера 5 связаны, соответственно, с тактовым входом инвертора 7 напряжения МКП и с входом управления уровнем напряжения питания МКП, поступающего на вход умножителя 11 напряжения питания МКП. Седьмой выход МК 5, являющийся цифровым выходом четвертого встроенного широтно-импульсного модулятора МК5 и восьмой выход, являющийся выходом второго встроенного ЦАП микроконтроллера 5 связаны, с инвертором 8 напряжения Экрана, соответственно, с его тактовым входом и входом управления уровнем напряжения питания умножителя 12 напряжения Экрана. Вход указанного умножителя 12 связан с первым выходом указанного инвертора 8 напряжения Экрана, выход умножителя 12 соединен с первым входом преобразователя 9 тока Экрана в напряжение, с выхода блока 12 на вход блока 9. С выхода указанного блока 9 аналоговый сигнал подается на четвертый вход микроконтроллера 5, на блок 23 (встроенный многоканальный АЦП), для дальнейшего преобразования в цифровой сигнал.
Стабилизированное напряжение питания +3,0В с первого выхода преобразователя 1 поступает на соответствующие входы питания блока 6 ЦАП фотокатода и преобразователя 9 тока Экрана в напряжение. Напряжение питания +3,3В со второго выхода преобразователя 1 поступает на соответствующие входы инвертора 7 напряжения МПК и инвертора 8 напряжения Экрана.
Микроконтроллер 5, при помощи упомянутых выше встроенных широтно-импульсных модуляторов и цифро-аналоговых преобразователей, а также одного внешнего ЦАП 6, осуществляет формирование напряжений переменного тока заданной амплитуды, при помощи инверторов 10, 7 и 8. Далее полученные напряжения поступают на соответствующие умножители 13, 11 и 12 напряжения питания. Напряжение с блока 13 подается на блок 15, который является высоковольтным ключом для подачи отпирающего напряжения промежутка фотокатод - вход МКП. Преобразователь 1 на своем втором выходе формирует запирающее напряжение +3,3В, которое поступает на вход питания высоковольтного ключа 14 управления запирающим напряжением фотокатода. С объединенных выводов ключей 14 и 15 напряжение питания фотокатода подается через схему 16 защиты от сверхтока фотокатода на соответствующий электрод вакуумного блока, ФК. Напряжения питания МКП и напряжение Экрана, поступают с выходов, соответственно, умножителей 11 и 12 непосредственно на соответствующие электроды вакуумного блока.
Схема 16 защиты от сверхтока фотокатода выполнена известным образом и представляет собой резистор, соединенный параллельно с конденсатором.
Измерение тока Экрана осуществляется микроконтроллером 5 при помощи встроенного многоканального АЦП 23 и внешнего преобразователя 9 тока в напряжение, выполненного на основе операционного усилителя.
Для обеспечения высокоточного формирования напряжений поданных на электроды вакуумного блока и измерения тока Экрана используется прецизионный внутренний источник опорного напряжения микроконтроллера 5.
Температурная компенсация уровней напряжения питания вакуумного блока обеспечивается встроенным датчиком температуры микроконтроллера 5.
Для осуществления технической возможности обновления ПО микроконтроллера МК 5 и изменения параметров устройства в техническом решении, согласно полезной модели, предусмотрен асинхронный последовательный полудуплексный обмен между МК 5 и внешним терминалом человеко-машинного интерфейса (не показан), а также возможность внешней ручной регулировки коэффициента преобразования МКП вакуумного блока за счет подключения внешнего переменного резистора.
Вышеуказанная функция реализуется схемой 17, которая выполнена с возможностью подачи на второй и третий входы МК5 цифровых или аналоговых сигналов за счет организации входа внешнего сигнала «Управление/программирование». Схема 17 состоит из резисторов 18, 19, 20 и стабилитрона 21, подключенного к проводу «Общий». На первый вход схемы 17 подается стабилизированное напряжение +3,0В от второго выхода преобразователя 1. Сигнал «Управление/программирование» подается на второй вход схемы 17 и через резистор 18, подается на вход встроенного многоканального АЦП 23, вход которого является третьим входом МК5. Данные с АЦП 23 анализируются программой микроконтроллера 5. При появлении на указанном третьем входе микроконтроллера 5 напряжения в заданном диапазоне, например, от 0 до 1,0 В, в цепи последовательно соединенных резисторов 19, 18 и внешнего переменного резистора (не показан), подключенных между вторым входом схемы 17 и проводом «Общий», программа микроконтроллера 5 задает линейное изменение величины напряжения МКП и соответственно коэффициент преобразования вакуумного блока будет пропорционально величине напряжения на третьем входе микроконтроллера 5, в зависимости от положения штока внешнего переменного резистора (не показан).
При отключении упомянутого внешнего переменного резистора от входа «Управление/программирование» устройства, напряжение на третьем входе микроконтроллера 5 становится больше порогового значения, например 1,2 В, в этом случае программа МК5 по результату преобразования входного сигнала АЦП блока 23 микроконтроллера 5, переводит устройство в режим ожидания асинхронного последовательного полудуплексного обмена блока 22 и внешнего терминала человеко- машинного интерфейса. Указанный полудуплексный обмен осуществляется через второй вход микроконтроллера 5 подключенный к первому выходу схемы 17, резистору 20 и резистору 18, другой вывод которого является первым входом схемы 17, на который поступает внешний сигнал «Управление/программирование» от внешнего терминала. Стабилитрон 21 и резистор 18, обеспечивают защиту микроконтроллера 5 по второму и третьему входу от воздействия внешних электростатических воздействий (различного рода помех) на вход «Управление/программирование».
В целом, совокупность существенных признаков, согласно формулы полезной модели, решает поставленную задачу, расширение арсенала технических средств данного назначения, с обеспечением созданному, вторичному источнику питания для электронно-оптического преобразователя возможности внешнего, ручного регулирования коэффициента преобразования МКП, возможности оперативного изменения настроек устройства и обновления встроенного программного обеспечения, с одновременным снижением уровня тока потребления от источника входного питающего напряжения.