РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА
REDUNDANT SOURCE OF CURRENT

о
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может применяться при создании аппаратуры систем автоматического управления (САУ) объектами ракетно-космической техники (РКТ) и авиации, а также робототехническими комплексами (РТК), предназначенными для ликвидации последствий аварий на объектах атомной промышленности, типа Чернобыльской, тушения пожаров на лесных, нефтяных и газодобывающих промыслах. К таким системам управления предъявляются повышенные требования по надежности работы в экстремальных внешних условиях. К этим условиям относятся механические воздействия (линейные перегрузки, удары и широкополосная вибрация), широкий диапазон изменения температуры окружающей среды (от -60 до +125С). Кроме того, САУ должны работать в полях ионизирующего излучения космического пространства, атомных энергетических установок и загрязненной местности. Основной частью таких САУ является бортовой управляющий вычислительный комплекс (БУВК), включающий, помимо управляющей ЭВМ, преобразователи «Цифра-аналог» и «Аналог-цифра» информации, принимаемой с датчиков объекта управления и выдаваемой на исполнительные органы объекта.
Для обеспечения работы датчиков, среди которых много датчиков резисторного типа, требуются источники стабильного тока, обеспечивающие обтекание датчиков. К таким датчикам относятся датчики температуры, датчики обратной связи в исполнительных механизмах управления объектом, например, рулевых машинах, соплах ориентации, заслонках двигательной установки и т.п. Напряжение, снимаемое с датчиков, поступает па преобразователи напряжения в код, который используется в БУВК для решения задач управления. Как правило, ток протекает последовательно через несколько датчиков, сопротивление которых непрерывно меняется, а обеспечение стабильности тока является основой точности вычислений и управления объектом.
Задача формирования стабильного тока усложняется экстремальными условиями и действием ионизирующего излучения. Как правило, к БУВК авиационных и ракетно-космических комплексов предъявляется жесткое формальное требование - сохранять работоспособность и точность работы не только при изменении внешней температуры и действии ионизирующего излучения в течение длительного времени, но и при возникновении отказов в блоках и узлах БУВК, в том числе и в преобразователях «цифра - аналог» и «аналог - цифра», а также при деградации параметров комплектующих элементов, вызванной изменением температуры и дозовыми факторами от действия ионизирующего излучения.
Для формирования стабильного тока используют различные решения. Так, например, в хорошо известной книге П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники», изд. Москва, «МИР» 1998 г. на стр.105 (рис.2.22 и 2.24) приведен источник тока. Однако сами авторы указывают на его недостатки, которыми являются уходы (нестабильность) параметров во времени. Если использовать данное решение в аппаратуре систем автоматического управления, то данный недостаток усугубляется изменением температуры в широком диапазоне и действием ионизирующего излучения. Кроме того, отказ любого элемента в этом источнике приводит к отказу системы в целом. Изменение параметров элементов также приводит к неработоспособности источника.
Лучшими характеристиками обладает приведенный в той же книге на стр.128 (рис.2.43) источник тока, реализованный по схеме «токовое зеркало». Однако для его работы требуется симметричность характеристик пары транзисторов и сохранение ее во времени, что не обеспечивается даже в нормальных условиях при длительной работе, не говоря уже о работе в экстремальных условиях в полях ионизирующего излучения.
Более полно задача формирования стабильно тока решена в цифроаналоговом преобразователе (патент RU №2066924, H03M 1/66, от 20.09 1996).
Устройство содержит преобразователь код-ток, переключатель знакового разряда, группу резисторов, три операционных усилителя и стабильный источник опорного напряжения (ИОН).
Недостатком данного преобразователя при применении в аппаратуре рассматриваемых систем является наличие не обладающего требуемой радиационной стойкостью ИОН, а также проблематичность сохранения параметров операционных усилителей и преобразователя код-ток на основе операционных усилителей при работе в широком диапазоне изменения температуры и в полях ионизирующего излучения.
Кроме того для работы преобразователя требуется высокостабильное питание. Такое питание трудно обеспечить в космическом аппарате при жестких ограничениях на массу и габариты аппаратуры, а в ряде случаев и невозможно. Это связано с тем, что при основном источнике силового питания в виде солнечных батарей с аккумулятором, химическом (например, водородном) источнике энергии или при питании от генераторов с силовым приводом от газовых турбин или атомных энергоустановок получают достаточно мощный источник энергии с нестабильным выходным напряжением. На это напряжение накладываются пульсации от работы коммутационной аппаратуры, а также внешние электромагнитные воздействия. Нестабильность этого питания существенно влияет на стабильность выходного тока. Кроме того, источник тока, реализованный на основе известных решений, проблематично использовать в САУ из-за ограниченной выходной мощности. Источник нельзя подключить непосредственно к нагрузке (датчикам устройств объекта).
Для обеспечения требуемой выходной мощности необходимо включение дополнительных усилителей. Это в свою очередь снижает стабильность тока и надежность САУ, увеличивает массу аппаратуры системы управления в космическом аппарате, где эта характеристика одна из важнейших. Введение в космический аппарат дополнительной аппаратуры затруднительно. Кроме того, введение дополнительных устройств еще более снижает надежность - важнейшую характеристику системы. Источник не отвечает также формальным требованиям к надежности, так как отказ любого элемента или изменение параметров приводит к отказу источника.
В наибольшей степени требованиям САУ соответствует источник стабильного тока с заземленной нагрузкой (патент RU №2009603, H03М 3/156), который может быть взят за прототип.
Источник содержит операционный усилитель с положительными и отрицательными обратными связями, ИОН, группу прецизионных резисторов, фильтр нижних частот и механический переключатель, обеспечивающий подстройку параметров при проверке (настройке) на заводе-изготовителе.
Этому источнику также свойственны отмеченные выше недостатки в части недостаточной параметрической устойчивости операционных усилителей и ИОН при работе в широком диапазоне изменения температуры в полях ионизирующего излучения, а также недостаточной надежности. Наличие подстройки параметров только в процессе изготовления не обеспечивает необходимую точность в основном длительном режиме работы, так как существует «дрейф» параметров усилителей из-за изменения температуры внешней среды и дозовых явлений в полупроводниковых структурах.
Кроме того, наличие механического переключателя цепей делает источник неустойчивым к механическим воздействиям (ударам и вибрациям, характерным для объектов РКТ и РТК).
Для устранения отмеченных недостатков предлагается РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА, далее по тексту просто Источник.
Источник содержит несколько (не менее 2, но оптимально 3) идентичных преобразующих силовое питание в выходной ток конверторов (первый, второй и третий), блок контроля и управления (БКУ), блок отключения (БО) и блок выравнивания (БВ), а связи с выводов конверторов поступают в БКУ. Источник содержит также блок питания для собственных нужд. Выходы конверторов подключены к блоку выравнивания через блок отключения. Силовые и установочные входы конверторов и блока питания являются одноименными входами источника. Выход блока выравнивания является выходом источника, а выходы постоянного и импульсного питания блока питания подключены к соответствующим входам всех компонентов источника (кроме конверторов).
Конвертор включает последовательно соединенные входной фильтр, защитный диод, трансформатор с включенным в первичную обмотку транзистором-прерывателем, выпрямительный диод и выходной фильтр, после которого в разрыв выходной шины установлен измерительный шунт. К измерительным выходам шунта подключен преобразователь напряжения в частоту. Выход этого преобразователя подключен к элементу гальванической развязки, выход которого является частотным выходом конвертора и подключен к входу модуля управления, установочный вход которого является одноименным входом конвертора, а выход подключен к базе транзистора-прерывателя.
Блок контроля и управления содержит первый, второй и третий счетчики конверторных частот, входы которых являются входами блока и соответственно частотными выходами первого второго и третьего конверторов. Блок содержит также четвертый счетчик, к входу которого подключен выход контрольного преобразователя напряжения в частоту. Вход этого преобразователя подключен к выходу аналогового мультиплексора, аналоговые входы и управляющий вход которого являются одноименными входами блока, подключенными соответственно к выходам конверторов и выходу управляющей ЭВМ. Сигнал на аналоговые входы подается через блок гальванической развязки. Выходы первого счетчика подключены к первым входам первого и второго сумматоров. Выход второго счетчика подключен ко второму входу второго и первому входу третьего сумматоров. Выход третьего счетчика подключен ко вторым входам первого и третьего сумматоров. Выход четвертого счетчика подключен к первому входу четвертого сумматора, ко второму входу которого подключен выход регистра кода частоты, вход которого является установочным входом блока и объединен с входом регистра допуска. Выход этого регистра подключен ко вторым входам первой, второй, третьей и четвертой схем сравнения. К первым входам этих схем подключены выходы соответственно первого, второго, третьего и четвертого сумматоров. Выходы каждой из схем сравнения подключены к входам соответствующих им триггеров, соответственно первого, второго, третьего и четвертого. Выходы этих триггеров подключены к входам группы логических элементов, выходы которой являются выходами блока, подключенными к управляющим входам БО через блок гальванической развязки. Кроме того, блок содержит схему тактирования, три выхода которой являются управляющими выходами блока, подключенными к управляющим входам блока питания.
Блок отключения содержит три полевых транзистора, истоки которых являются входами блока, стоки - выходами, а входные управляющие сигналы подключены к затворам соответствующих транзисторов.
Блок выравнивания содержит три идентичных ветви, в каждой из которых последовательно включены резистор и диод. Первые выводы резисторов являются входами схемы, а вторые подключены к анодам соответствующих им диодов, катоды которых объединены и являются выходом схемы.
Блок питания содержит модуль постоянного питания и модуль импульсного питания, подключенные силовыми входами к входной шине силового питания. Их установочный вход, управляющие входы и выходы являются соответственно установочным входом, управляющими входами и выходами постоянного и импульсного питания блока.
Модуль импульсного питания содержит три параллельные цепи, включенные между силовой шиной и выходом. В каждой цепи установлены два последовательно включенных полевых транзистора. Три входных управляющих сигнала разведены таким образом, что каждый сигнал подключен к затворам двух транзисторов, установленных в разных цепях, образуя выборку «2 из 3».
Модуль постоянного питания содержит последовательно включенные входной фильтр, защитный диод, трансформатор с включенным в первичную обмотку ключевым транзистором, выпрямляющий диод после вторичной обмотки и выходной фильтр, выход которого является выходом модуля. К выходу подключена схема преобразования напряжения в частоту, выход которой через развязывающий элемент подключен к частотно-импульсному модулятору (ЧИМ), установочный вход которого является одноименным входом модуля, а выход подключен к базе ключевого транзистора.
Фильтр конвертора состоит из низкочастотных фильтрующих конденсаторов, включенных между плюсовой и минусовой шинами. Обе шины в свою очередь через высокочастотные фильтрующие конденсаторы подключены к шине земли.
Модуль управления конвертора содержит задающий генератор, выход которого поступает на интервальный счетчик. Выходы этого счетчика подключены к входам интервального дешифратора, выход которого подключен к стробирующему входу схемы сравнения. Модуль содержит также n последовательно включенных инверторов, подключенных выходами к входам первого мультиплексора, выход которого является выходом модуля и подключен к входу первого инвертора. Кроме того, модуль содержит счетчик частоты, вход которого является входом модуля, подключенным к выходу элемента гальванической развязки. Выходы этого счетчика подключены к первым входам схемы сравнения, ко вторым входам которой подключены выходы регистра кода частоты, а инкрементный и декрементный выходы схемы сравнения подключены к одноименным входам счетчика кода частоты, подключенного выходами к управляющим входам мультиплексора. При этом установочные входы регистра кода частоты и счетчика кода частоты являются установочным входом модуля управления и конвертора.
Схема тактирования содержит три стабилизированных кварцем генератора импульсов. Выход каждого генератора подключен к входу своего узла фазирования, соответственно первого, второго и третьего. Фазирующий выход каждого из узлов подключен к фазирующим входам двух других узлов и выходу своего формирователя, выходы которых являются выходами схемы.
Узел фазирования содержит логический элемент, первый вход которого является входом узла. Выход элемента подключен к входам динамического счетчика. Выходы счетчика подключены к входам дешифратора. Его выход подключен к запускающему входу триггера останова, выход которого является фазирующим выходом узла и подключен ко второму входу логического элемента и первому входу мажоритарного элемента, ко второму и третьему входам которого подключены выходы триггеров привязки. Входы этих триггеров являются фазирующими входами узла, а их стробирующий вход объединен с первым входом логического элемента. Выход мажоритарного элемента подключен к входу триггера пуска, выход которого подключен к сбрасывающему входу триггера останова.
Динамический счетчик выполнен на динамических триггерах, которые реализованы как транзисторный усилитель, к базе транзистора которого кроме резисторного делителя подключена LC цепь, являющаяся элементом памяти. Индуктивность L содержит две обмотки - рабочую и намотанную, поверх нее компенсационную, концы которой закорочены. Выходные прямой и инверсный сигналы снимаются с эмиттера и коллектора транзистора, которые через свои резисторы подключены соответственно к общей шине и шине питания.
Чертежи состава источника, а также входящих в него компонентов и их блоков, модулей, узлов и триггера приведены на фигурах с 1 по 8.
На фигуре 1 приведен состав источника, где цифрами 1-1, 1-2 и 1-3 обозначены соответственно первый второй и третий конверторы, цифрой 2 обозначен блок контроля и управления, цифрой 3 - блок отключения, цифрой 4 обозначен блок выравнивания и цифрой 5 обозначен блок питания.
На фигуре 2 приведен конвертор, где цифрами 21-1 и 21-2 обозначены соответственно входной и выходной фильтры, цифрой 22 обозначен трансформатор, цифрой 23 - транзистор-прерыватель, цифрой 24 обозначен преобразователь напряжения в частоту, цифрой 25 - элемент гальванической развязки и цифрой 26 обозначен модуль управления.
Схема фильтра приведена на фигуре 2-1. Фильтр конвертора состоит из низкочастотных фильтрующих конденсаторов, включенных между плюсовой и минусовой шинами. Обе шины в свою очередь через высокочастотные фильтрующие конденсаторы подключены к шине земли.
Модуль управления приведен на фигуре 3, где цифрой 30 обозначен стабильный генератор частоты. Цифрой 31 обозначены n инверторов, цифрой 32 обозначен мультиплексор, цифрой 33 - счетчик кода частоты, цифрой 34 обозначен интервальный счетчик, цифрой 35 обозначен интервальный дешифратор, цифрой 36 - схема сравнения, цифрой 37 обозначен регистр кода частоты и цифрой 38 - счетчик частоты.
На фигуре 4 приведен блок контроля и управления, где цифрой 40 обозначен контрольный преобразователь напряжения в частоту, цифрой 41 - аналоговый мультиплексор, цифрами 41-1, 41-2, 41-3 и 41-4 обозначены соответственно первый второй, третий и четвертый счетчики, цифрами 42-1, 42-2, 42-3 и 42-4 обозначены соответственно первый, второй, третий и четвертый сумматоры. Цифрой 43 обозначен регистр кода частоты, цифрой 44 - регистр допуска. Цифрами 45-1, 45-2, 45-3 и 45-4 обозначены соответственно первая, вторая, третья и четвертая схемы сравнения. Цифрами 46-1, 46-2, 46-3 и 46-4 обозначены соответственно первый, второй, третий и четвертый триггеры. Цифрой 47 обозначена группа логических элементов и цифрой 48 обозначена схема тактирования. Цифрами 49-1 и 49-2 обозначены блоки гальванической развязки.
На фигуре 5 приведен блок питания, где цифрами 51 и 52 обозначены соответственно модуль постоянного и модуль импульсного питания.
На фигуре 5-1 приведен модуль импульсного питания.
На фигуре 5-2 приведен модуль постоянного питания, где цифрами 521-1 и 521-2 обозначены соответственно входной и выходной фильтры, цифрой 523 обозначена схема преобразования напряжения в частоту, цифрой 524 - развязывающий элемент, цифрой 525 обозначен частотно-импульсный модулятор (ЧИМ), цифрой 526 - транзистор-прерыватель и цифрой 522 - трансформатор.
Схема фильтра приведена на фигуре 2-1.
На фигуре 6 приведен частотно-импульсный модулятор, где цифрой 610 обозначен кварцевый задающий генератор, цифрой 611 обозначены инверторы, цифрой 612 - второй мультиплексор, цифрой 613 обозначен счетчик кода частоты, цифрой 614 - интервальный счетчик, цифрой 615 обозначен интервальный дешифратор, цифрой 616 - схема сравнения, цифрой 617 обозначен регистр кода частоты и цифрой 618 - счетчик частоты.
На фигуре 6-1 приведена схема тактирования, где цифрами 61-1, 61-2 и 61-3 обозначены соответственно первый, второй и третий стабилизированные задающие генераторы, цифрами 62-1, 62-2 и 62-3 обозначены первый, второй и третий узлы фазирования и цифрами 63-1, 63-2 и 63-3 обозначены соответственно первый, второй и третий буферы.
Узел фазирования изображен на фигуре 7, где цифрой 71 обозначен логический элемент, цифрой 72 - динамический счетчик, цифрой 73 обозначен дешифратор, цифрой 74 - триггер останова, цифрой 75 обозначен триггер пуска, цифрой 76 - триггеры привязки и цифрой 77 обозначен мажоритарный элемент.
Динамический триггер приведен на фигуре 8.
Источник может быть реализован следующим образом.
Все преобразователи напряжения в частоту и схема преобразования напряжения в частоту могут быть реализованы на основе микросхемы ADVFC32 фирмы Analog Devices или ее аналога. В качестве элементов гальванической развязки целесообразно использовать планарный трансформатор или оптрон 249ЛП5, работающий в импульсном режиме и имеющий необходимый уровень радиационной стойкости при работе в импульсном режиме. Цифровая часть блока контроля и управления, модуль управления конвертора и ЧИМ источника постоянного питания, имеющий аналогичную структуру, реализуются в виде БИС на основе базового матричного кристалла серии 5517 или 5515 с дополнительным использованием в блоке контроля и управления БИС серии 1825ВС3 для реализации сумматоров и схем сравнения. Динамический счетчик реализуется на основе динамических триггеров и диодно-резисторной логики.
Динамический триггер реализуется на дискретных элементах (транзисторе типа П16, резисторах и конденсаторах, а его индуктивность выполняется как моточное изделие с двумя обмотками на ферритовом кольце).
Фильтры, как и динамический триггер, реализуются на дискретных элементах (конденсаторах, аттестованных по радиационной стойкости).
Источник работает следующим образом. При появлении внешнего питания в счетчиках и регистрах модуля управления конверторов, ЧИМе источника постоянного питания, и блоке контроля и управления устанавливаются коды, соответствующие номинальному значению частоты переключения транзисторов-прерывателей и, соответственно, выходному току источника и напряжению питания блока питания. Транзисторы-прерыватели, переключаясь с задаваемой частотой, производят «накачку» энергии во вторичную обмотку соответствующих трансформаторов, и на выходе конверторов, блока питания и источника тока в целом появляется выпрямленное и отфильтрованное напряжение, которое в конверторах, пройдя балластные резисторы, превращается в выходной ток, поступающий в нагрузку через блок отключения и блок выравнивания.
При незначительных отклонениях выходного тока одного из конверторов от двух других, например при увеличении, в блоке выравнивания возрастает падение напряжения на резисторе, включенном последовательно с диодом. Диод «подзапирается» и ток снижается. В результате происходит выравнивание (усреднение) токов разных конверторов, что компенсирует небольшие уходы параметров их элементов. При значительном отклонении в любую сторону выходного тока одного из конверторов, вызванном катастрофическим отказом, или существенным параметрическом изменении в элементах конвертора от двух других блок контроля и управления вырабатывает сигнал отключения этого конвертора. Этот сигнал запирает в блоке отключения транзистор, через который выходной ток поступает от данного конвертора в блок выравнивания. Транзистор закрывается и выходной ток неисправного конвертора перестает искажать суммарный выходной ток источника. Это обеспечивает работу в широком диапазоне изменения температур и полях ионизирующего излучения, а также при возникновении одиночных катастрофических отказов в элементах источника.
Задавая коды управления формированием частоты в модуле управления и ЧИМ можно изменять напряжение питания внутреннего источника, выходные токи конверторов и источника в целом.
Схема тактирования включает в свой состав кварцевые задающие генераторы, обладающие хорошей стабильностью, не меняющейся под действием ионизирующего излучения, а трехканальное резервирование с организацией выборки «2 из 3» на полевых транзисторах модуля импульсного питания обеспечивает резервирование и нейтрализацию отказов отдельных блоков (узлов) источника, что повышает его надежность.
Выводы: в предлагаемом источнике питания устранены все недостатки известных решений, так как обеспечена работа в широком диапазоне температур в полях ионизирующего излучения, резервирование, кодовое управление выходным током и радиационная стойкость с сохранением требуемой стабильности выходного тока в течение длительного времени работы при изменении в широком диапазоне температуры окружающей среды, возникновении катастрофических и параметрических отказов отдельных элементов источника и при изменении нагрузки в условиях действия ионизирующего излучения.