УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Устройство электропитания относится к области радиотехники и предназначено для электропитания импульсных радиопередатчиков и управляемых генераторов радиоимпульсных сигналов.
Известны источники электропитания, используемых для электропитания различных радиотехнических устройств общего и специального назначения, описанные, например, в кн.: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы, т. 2. - М.: Альтекс-А, 2002. - 192 с. или в кн.: Марк E. Хернитер. Необычные радиолюбительские конструкции. - М.: Изд. ДМК Пресс, 2011. - 174 с. Эти устройства содержат компараторы, шим-контроллеры («шим» - широтно-импульсная модуляция), фильтры нижних частот, ключи, накопительные емкости - источники выходного напряжения, делители напряжения и источники опорного потенциала. Они вырабатывают напряжения, необходимые для питания радиоустройств, а за счет широтно-импульсного преобразования имеют высокий коэффициент полезного действия. Недостатком данных устройств является отсутствие возможности цифрового управления уровнем вырабатываемого напряжения и необходимостью применения вторичных управляемых стабилизаторов при питании радиоимпульсных генераторов с изменяемой выходной мощностью, приводящих к снижению коэффициента полезного действия устройства в целом.
Также известно устройство по кн.: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения, т.3. - М.: Альтекс-А, 2002. - 190 с. Устройство содержит компаратор, шим-контроллер, накопительный ключ, накопительную емкость, делитель напряжения, источник внешнего опорного напряжения и фильтр нижних частот. На компаратор подается постоянное опорное напряжение, где оно сравнивается с выходным напряжением фильтра нижних частот, результат сравнения управляет шим-контроллером. Шим-контроллер вырабатывает импульсы, у которых период повторения остается постоянным, а длительность изменяется в зависимости от управляющего сигнала с выхода компаратора. Эти импульсы поступают на накопительный ключ и открывают его на время своей длительности. Когда накопительный ключ открывается, он подключает источник внешнего постоянного напряжения к накопительной емкости, выходной сигнал накопительной емкости проходит через делитель напряжения и интегрируется в фильтре нижних частот. Недостатком подобного устройства является невозможность управления уровнем выходного напряжения с помощью цифрового кода, в то же время современные генераторы радиоимпульсов зачастую требуют управления с микроконтроллера и должны оперативно менять уровень своей выходной мощности в широком диапазоне с определенным шагом. Кроме того, ко многим генераторам радиоимпульсов предъявляются жесткие требования по диапазону изменяемой выходной мощности и коэффициенту полезного действия. В то же время при питании постоянным напряжением с выхода известных устройств необходимо в течение короткого времени обеспечивать переход с максимальной мощности генерируемого сигнала к ее минимальному значению. В связи с этим известные устройства не могут применяться для питания таких радиоимпульсных генераторов.
выx
выx
вx
выx
выx
Наиболее близким к заявляемому является устройство, по патенту РФ №127560 на полезную модель «Генератор сигналов электропитания», авторы Соловьев А.В, Самойлов А.Г., Самойлов С.А., Полушин П.А., МПК H03L 5/00 (2006.1), Оп. 27.04.2013, Бюл. №12. Устройство содержит контроллер, цифроаналоговый преобразователь, формирователь временного окна, компаратор, фильтр нижних частот, делитель напряжения, шим-контроллер, накопительный ключ, накопительную емкость, управляемый генератор тока, и источник внешнего постоянного напряжения. Принцип работы устройства заключается в следующем Уровень радиоимпульсов, которые вырабатывает внешний генератор радиоимпульсов, определяется величиной напряжения U, используемого для его питания. Удаленный компьютер или внешний микроконтроллер управляет работой устройства таким образом, чтобы в каждый момент времени на его выходе вырабатывалось именно такое значение напряжения U, которое необходимо, чтобы мощность радиоимпульса была требуемой в этот момент величины. Для этого цифровой управляющий сигнал U с помощью контроллера и цифроаналогового преобразователя преобразуется в определенное аналоговое напряжение. Петля регулировки, состоящая из компаратора, шим-контроллера, накопительного ключа, накопительной емкости, делителя напряжения и фильтра нижних частот, обеспечивает необходимый уровень напряжения U. Таким образом, каждому управляющему цифровому сигналу удаленного компьютера соответствует свой уровень U и мощности радиоимпульса.
Описанное устройство обладает характерным недостатком большого потребления энергии от низковольтного источника в моменты перехода с напряжений с высоких уровней на недостаточно низкие: в эти моменты ему приходится быть нагруженным не только на импульсный усилитель, но и на неуправляемый генератор тока, что вызывает значительную просадку выставленного выходного напряжения (отклонение от требуемого уровня) и выход из нормального режима работы.
Указанный недостаток приводит к отклонению уровня генерируемого высокочастотного сигнала от требуемого уровня, что снижает эффективность работы генератора радиоимпульсов, и увеличивает количество помех по питанию.
Задачей данной полезной модели является повышение эффективности работы генератора радиоимпульсов, повышение точности обеспечения требуемых параметров радиоимпульсов и снижения количества помех по питанию.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее контроллер, компаратор, шим-контроллер, накопительный ключ, накопительную емкость, источник внешнего постоянного напряжения, делитель напряжения, фильтр нижних частот, первый цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор тока и формирователь временного окна, введен второй цифроаналоговый преобразователь, при этом управляющий вход устройства соединен со входом контроллера, а выходы контроллера - со входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей и входом формирователя временного окна, выход первого цифроаналогового преобразователя подключен к одному из входов компаратора, а выход компаратора через шим-контроллер - к сигнальному входу накопительного ключа, ко входу питания которого подключен источник внешнего постоянного напряжения, выход накопительного ключа соединен с сигнальным входом накопительной емкости, а выход управляемого генератора тока соединен с управляющим входом накопительной емкости, выход второго цифроаналогового преобразователя подключен ко входу управляемого генератора тока, а выход накопительной емкости подключен к выходу устройства и через последовательно соединенные делитель напряжения и фильтр нижних частот - к другому входу компаратора, выход формирователя временного окна соединен с входом сброса второго цифроаналогового преобразователя.
На чертежах представлены: на фиг. 1 - структурная схема генератора сигналов электропитания; на фиг. 2 - пример реализации генератора сигналов электропитания.
На фиг. 1 обозначены: контроллер 1; первый цифроаналоговый преобразователь 2; второй цифроаналоговый преобразователь 3; компаратор 4; фильтр нижних частот 5; делитель напряжения 6; шим-контроллер 7; накопительный ключ 8; накопительная емкость 9; управляемый генератор тока 10; источник внешнего постоянного напряжения 11; формирователь временного окна 12.
На фиг. 2 обозначены: первый цифроаналоговый преобразователь 13; второй цифроаналоговый преобразователь 14; шим-контроллер 15; источник внешнего постоянного напряжения 16; управляемый генератор тока 17; контроллер 18; формирователь временного окна 19; накопительный ключ 20; накопительная емкость 21; фильтр нижних частот и делитель напряжения 22.
вx
выx
Блоки устройства работают следующим образом. С управляющего процессора через последовательный интерфейс шины SPI на контроллер 1 подается управляющий сигнал U в виде цифрового кода, который несет информацию о том, какой уровень в данный момент должно иметь постоянное напряжение U на выходе устройства, т.е. какой уровень должен иметь радиоимпульс, вырабатываемый в данный момент внешним радиочастотным генератором, который питается от заявляемого устройства. В контроллере 1 это управляющее напряжение преобразуется в коды, необходимые для работы первого цифроаналогового преобразователя 2, второго цифроаналогового преобразователя 3 и формирователя временного окна 12. На основе этого кода первый цифроаналоговый преобразователь 2 вырабатывает аналоговое напряжение, которое подается на компаратор 4.
В компараторе 4 выходное напряжение первого цифроаналогового преобразователя 2 сравнивается с выходным напряжением фильтра нижних частот 5. Напряжение, пропорциональное их разности поступает на вход шим-контроллера 7. В зависимости от знака этой разности шим-контроллер 7 либо увеличивает длительность вырабатываемых импульсов, либо уменьшает ее (при сохранении постоянным периода повторения импульсов).
Когда эти импульсы проходят на вход накопительного ключа 8, он открывается, а в паузах между импульсами накопительный ключ закрывается. Когда накопительный ключ открывается, на свой выход он пропускает выходное напряжение источника внешнего постоянного напряжения 11. Источник внешнего постоянного напряжения постоянно вырабатывает постоянное напряжение на своем выходе.
выx
выx
Выходные импульсы с накопительного ключа 8 подаются на накопительную емкость 9, где их энергия накапливается. С накопительной емкости 9 напряжение U поступает на выход устройства и на делитель напряжения 6. Через делитель напряжения проходит определенная постоянная часть от напряжения U, которая остается постоянной все время работы устройства. Возможная переменная составляющая, вызванная нестабильностью поведения нагрузки, сглаживается в фильтре нижних частот 5 и подается на другой вход компаратора 4, где сравнивается с выходным напряжением первого цифро-аналогового преобразователя 2.
выx
Управляемый генератор тока 10 включается на определенный временной интервал, когда необходимо понизить выходное напряжение устройства U до заданного контроллером значения. Это необходимо в тот момент, когда генератор должен быстро перейти на более низкий уровень вырабатываемой мощности. Длительность этого временного интервала определяется формирователем временного окна 12. Формирователь временного окна 12 изменяет длительность вырабатываемого временного окна на основе кода, поступающего на его вход с контроллера 1. Выходной сигнал формирователя временного окна подается на вход сброса второго цифроаналогового преобразователя 3. В течение интервала времени, когда вырабатывается сигнал с выхода формирователя временного окна, второй цифроаналоговый преобразователь 3 вырабатывает на основе кода, поступающего с контроллера 1, на своем выходе сигнал, управляющий управляемым генератором тока 10. По окончании сигнала с выхода формирователя временного окна выходной сигнал второго цифроаналогового преобразователя обнуляется.
Таким образом, осуществляется быстрое окончание переходных процессов во внешнем генераторе радиоимпульсов и быстрое снижение амплитуды вырабатываемого радиоимпульса. Причем скорость разряда выходных емкостей варьируется в зависимости от предыдущего значения выходного напряжения, чем больше разница предыдущего и последующего значений напряжения, тем большим током происходит разряд емкости. Для этого в контроллере 1 формируется необходимый разностный код, который при помощи второго цифроаналогового преобразователя 3 выставляет необходимое значение тока управляемого генератора тока 10.
выx
выx
вx
выx
выx
Принцип работы устройства заключается в следующем. Уровень радиоимпульсов, которые вырабатывает внешний генератор радиоимпульсов, определяется величиной напряжения U, используемого для его питания. Удаленный компьютер управляет работой заявляемого генератора сигналов электропитания таким образом, чтобы в каждый момент времени на его выходе вырабатывалось именно такое значения напряжения U, которое необходимо, чтобы мощность радиоимпульса была требуемой величины. Для этого цифровой управляющий сигнал U с помощью контроллера 1 и первого цифроаналогового преобразователя 2 преобразуется в определенное аналоговое напряжение. Петля регулировки, состоящая из компаратора 1, шим-контроллера 7, накопительного ключа 8, накопительной емкости 9, делителя напряжения 6 и фильтра нижних частот 5, обеспечивает необходимый уровень напряжения U. Таким образом, каждому управляющему цифровому сигналу удаленного компьютера соответствует свой уровень U и мощности радиоимпульса. Одновременное действие формирователя временного окна 12, определяющего длительность работы управляемого генератора тока 10 и второго цифроаналогового преобразователя 3, регулирующего ток, обеспечивает оптимальный режим работы накопительной емкости 9.
Пример реализации предлагаемого устройства приведен на фиг. 2. Часть блоков, имеющих стандартные реализации, (контроллер 18, первый 13 и второй 14 цифроаналоговые преобразователи, шим-контроллер 15, источник внешнего постоянного напряжения 16 и управляемый генератор тока 17) оставлены в виде блоков структурной схемы, остальные блоки детализированы до принципиальной схемы. В частности, компаратор предлагается реализовать на операционном усилителе DA, при этом два сравниваемых сигнала подаются на его парафазные входы. Накопительный ключ 20 реализован на транзисторе VT, диоде VD, дросселе L и резисторе R3. Транзистор осуществляет, собственно, коммутацию. Резистор служит для обеспечения токовой защиты системы преобразования напряжения. Дроссель используется для накопления энергии умножаемого напряжения. Диод необходим для развязки низковольтного постоянного потенциала источника питания и высоковольтного накопленного потенциала в результате импульсного умножения напряжения.
Накопительная емкость 21 создается, включенными параллельно конденсаторами G2 и С3. В них происходит накопление энергии, необходимой для обеспечений нужного уровня мощности радиоимпульсов, вырабатываемых внешним радиоимпульсным генератором. Два конденсатора включены параллельно, поскольку необходимо обеспечить фильтрацию ВЧ пульсаций вызванных шим-преобразованием, и одновременно накапливать большое количество энергии, т.к. электролитические конденсаторы, обладающие высоким индуктивным сопротивлением, в одиночном использовании неспособны эффективно подавлять помехи от фронтов шим-преобразователей)
Делитель напряжения и интегратор 22 реализованы схемой из резисторов R1 и R2 и конденсатора C1. Управляющий сигнал подается с удаленного компьютера на вход устройства по шине SPI.
Использование устройства электропитания возможно в тех случаях, когда параметры вырабатываемых радиоимпульсов должны строго соблюдаться, что не удается достичь в известных технических решениях. Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность работы генератора радиоимпульсов, повысить точность обеспечения требуемых параметров радиоимпульсов и снизить количество помех по питанию.