ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА
PULSE CURRENT STABILIZER

Изобретение относится к области электротехники и может применяться для формирования стабилизированных разрядных токов кольцевого лазера (КЛ), работающего в экстремальных условиях.
Известен линейный (последовательный) аналоговый стабилизатор тока (Ирвинг М. Готтлиб «Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы» // М.: Постмаркет, 2000, с. 228-234). Его работа основана на том, что в цепь нагрузки последовательно с ней включен управляющий элемент. Для обеспечения импульсного режима работы стабилизатор тока включается по внешнему синхроимпульсу. Данный тип преобразователя отличается простотой и малым уровнем пульсаций. Основным недостатком данного стабилизатора является его низкий КПД. Это требует применения больших радиаторов, которые существенно увеличивают массу и габариты конечного изделия.
Известны импульсные стабилизаторы тока. Их работа основана на преобразовании постоянного входного напряжения в высокочастотный переменный ток для его последующей трансформации в напряжение нужного уровня и выпрямления. Основное преимущество преобразователей данного типа заключается в их КПД, который при правильном проектировании может превышать 90%. Это избавляет от необходимости использования больших радиаторов что, в свою очередь, существенно снижает габариты изделия. Однако применение стабилизаторов данного типа вызывает необходимость использования конденсаторов большой емкости на выходе импульсного стабилизатора для снижения пульсаций и достижения требуемой стабильности его выходного тока.
Большинство импульсных стабилизаторов тока используют широтно-импульсные (ШИМ) преобразователи, в которых регулируется скважность выходных импульсов. Известно устройство многоканального импульсного стабилизатора тока (Патент РФ №2624635 приоритет от 23.04.2013, «Многоканальный импульсный стабилизатор тока (варианты)», авторы Абышев А.А., Акулин Е.Г., МПК: Н02М 3/335, опубликовано 05.07.2017 Бюл. №17), содержащее блок управления, устройство обратной связи и N параллельно включенных импульсных стабилизаторов тока. Принцип работы данного устройства заключается в том, что фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N. Емкость выходного конденсатора стабилизатора выбирается минимальной, и при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта входного импульса. Таким образом, можно добиться существенного снижения пульсации выходного тока без использования конденсаторов большой емкости, поскольку пульсации на выходах стабилизатора идут в противофазе и частично компенсируются.
Недостатками данного устройства является сложность схемы, и наличие множества резонансных контуров, понижающих помехоустойчивость работы стабилизатора.
Известен импульсный стабилизатор тока (Патент РФ №2234790 приоритет от 02.09.2002, «Импульсный стабилизатор тока», авторы: Зиновьев Н.Д., Лачин В.И., Проус В.Р., МПК: Н02М 3/335, опубликовано 27.03.2004 Бюл. №9), выполненный на биполярном транзисторном инверторе и импульсных трансформаторах. В каждом такте работы инвертора, выполненного на двух биполярных транзисторах и силовом импульсном трансформаторе, в двух трансформаторах обратной связи происходит автоматическое поддержание требуемого магнитного потока, исключающее насыщение их магнитопроводов. При этом величина тока нагрузки передается в схему управления по линейному закону. Выпрямление выходного напряжения осуществляют диоды и LC-фильтр.
Достоинствами данного стабилизатора тока является простота схемы и небольшие габариты устройства. К недостаткам устройства можно отнести невысокую точность стабилизации выходного тока из-за нелинейной работы трансформаторов и невозможность подключения к нагрузке внешнего высоковольтного источника питания, необходимого для накачки КЛ.
Известен импульсный высокоточный стабилизатор тока (Патент РФ №2420853 приоритет от 17.05.2010, «Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока», авторы: Иордан В.И., Соловьев А.А., МПК7: Н02М 3/335, опубликовано 10.06.2011 Бюл. №16). Данный импульсный высокоточный стабилизатор тока является наиболее близким по техническим характеристикам к заявляемому устройству и выбран в качестве наиболее близкого аналога. Способ стабилизации тока заключается в том, что с помощью шунта измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти микроконтроллера. Далее программным способом вычисляют скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока, и после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора. Известный импульсный высокоточный стабилизатор тока обладает малой погрешностью (не более 0,02%) стабилизации тока, протекающего через нагрузку без предварительной трансформации, и возможностью регулирования тока в широком диапазоне значений от 1 до 25 А.
Недостатками данного устройства являются сложность схемы и, следовательно, большие габариты и невысокая надежность работы из-за применения большого количества полупроводниковых элементов, а также отсутствие импульсного развязывающего трансформатора, что приводит к наличию непосредственной гальванической связи между входным и выходным шинами питания и снижает помехоустойчивость работы стабилизатора.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании надежного импульсного устройства, которое обеспечивает формирование высокостабилизированных токов для приборов, работающих в экстремальных условиях.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение надежности, точности стабилизации и помехоустойчивости. Дополнительно за счет выбора типов электронных компонентов обеспечиваются малые габариты устройства и его повышенная стойкость к ионизирующему излучению, что повышает ресурс работы импульсного стабилизатора тока кольцевого лазера при космическом применении.
Данные технические результаты достигаются тем, что в импульсном стабилизаторе тока, содержащем ШИМ-контроллер, нагрузку, новым является то, что дополнительно введены первый, второй и третий резистивные делители напряжения, резистор, первый и второй конденсаторы, импульсный трансформатор, блок высоковольтных ключей, индикатор тока разряда, дроссель, вход которого соединен с выходом блока высоковольтных ключей, а выход соединен с первым выводом первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора, с первой общей шиной и с входом нагрузки, выход которой является первым выходом импульсного стабилизатора тока, третий вывод первого резистивного делителя напряжения соединен со вторым выводом первого конденсатора и первыми выводами второго и третьего резистивных делителей напряжения, вторые выводы которых соединены соответственно с первым и вторым входами ШИМ-контроллера, третий вход которого является входом питания, а четвертый и пятый входы соединены соответственно с первыми выводами резистора и второго конденсатора, вторые выводы которых соединены с первой общей шиной, к которой подключены третьи выводы второго и третьего резистивных делителей напряжения и первый выход ШИМ-контроллера, второй выход которого соединен с входом импульсного трансформатора, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым входом блока высоковольтных ключей и первым входом индикатора тока разряда лазера, второй вход которого является входом питания, а первый выход является вторым выходом импульсного стабилизатора тока, второй выход индикатора тока разряда и второй вход блока высоковольтных ключей соединены со второй общей шиной.
Основу заявляемого стабилизатора тока составляет ШИМ-контроллер, нагруженный на импульсный трансформатор, который осуществляет гальваническую развязку входного и выходного питаний. С выхода трансформатора запускаются высоковольтные ключи, на выходе которых установлен первый резистивный делитель, напряжение на средней точке (третий вывод) которого пропорционально выходному напряжению анода кольцевого лазера. Повышение точности стабилизации тока нагрузки осуществляется за счет применения второго и третьего резистивных делителей напряжения, обеспечивающих отрицательные связи по току и напряжению, которые поступают на входы ШИМ-контроллера и регулируют скважность его сигнала.
Применение импульсного трансформатора позволяет осуществить гальваническую развязку входного низковольтного и выходного высоковольтного питаний, что повышает помехоустойчивость стабилизатора.
На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема импульсного стабилизатора тока. На фиг. 2 представлен вариант реализации импульсного стабилизатора тока.
Импульсный стабилизатор тока (фиг. 1) содержит ШИМ-контроллер 1, резистор 2, первый 3 и второй 4 конденсаторы, импульсный трансформатор 5, блок 6 высоковольтных ключей, дроссель 7, первый 8, второй 9 и третий 10 резистивные делители напряжения, нагрузку 11, индикатор 12 тока разряда.
Вход дросселя 7 соединен с выходом блока 6 высоковольтных ключей, а выход соединен с первым выводом первого резистивного делителя напряжения 8. Второй вывод первого резистивного делителя напряжения 8 соединен с первым выводом первого конденсатора 3, с первой общей шиной и с входом нагрузки 11. Выход нагрузки 11 является первым выходом импульсного стабилизатора. Третий вывод первого резистивного делителя напряжения 8 соединен со вторым выводом первого конденсатора 3 и первыми выводами второго 9 и третьего 10 резистивных делителей напряжения. Вторые выводы второго 9 и третьего 10 резистивных делителей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами ШИМ-контроллера 1. Третий вход ШИМ-контроллера 1 является входом питания. Четвертый и пятый ШИМ-контроллера 1 входы соединены соответственно с первыми выводами резистора 2 и второго конденсатора 4. Вторые выводы резистора 2 и второго конденсатора 4 соединены с первой общей шиной. К первой общей шине подключены третьи выводы второго 9 и третьего 10 резистивных делителей напряжения и первый выход ШИМ-контроллера 1. Второй выход ШИМ-контроллера 1 соединен с входом импульсного трансформатора 5. Первый и второй выходы импульсного трансформатора 5 соединены соответственно с первым входом блока 6 высоковольтных ключей и первым входом индикатора 12 тока разряда. Второй вход индикатора 12 тока разряда является входом питания. Первый выход индикатора 12 тока разряда является вторым выходом импульсного стабилизатора тока. Второй выход индикатора 12 тока разряда и второй вход блока 6 высоковольтных ключей соединены со второй общей шиной.
ШИМ-контроллер 1 (фиг. 1 и фиг. 2) может быть выполнен на микросхеме DA1 и предназначен для формирования сигналов управления высоковольтными ключами. Выходные транзисторы ШИМ-контроллера 1 управляют токами первичных обмоток импульсного трансформатора 5 (Т1), выполненного на ферритовом кольце. Резистор R8 предназначен для ограничения импульсного тока выходного транзистора микросхемы DA1. Цепочки конденсаторов C1, С2 и резистора R5 обеспечивают частотную коррекцию ШИМ-контроллера 1. Для предотвращения насыщения Трансформатора выходы транзисторов ШИМ-контроллера 1 подключают к первичным обмоткам управляющего трансформатора Т1 через керамический конденсатор С6. Трансформатор Т1 регулирует работу блока 6 высоковольтных ключей и формирует сигнал индикации тока разряда КЛ.
Конденсатор 4 (С3) является интегрирующим и предназначен для плавного запуска ШИМ-контроллера 1 (DA1) при подаче напряжения питания. Резистор 2 (R6) задает частоту генератора импульсов ~80 кГц.
Блок 6 высоковольтных ключей предназначен для повышения величины пробивного напряжения сток-исток и может быть организован на полевых высоковольтных транзисторах VT1-VT3, включенных последовательно. Резистивным делителем напряжения R12-R14, подключенным к цепям затворов транзисторов с шунтирующими конденсаторами С9, С10 и диодами VD3, VD4, задается напряжение сток-исток на каждом транзисторе.
Дроссель 7 (L1) может быть выполнен на ферритовом кольце и предназначен для поддержания тока в цепях при разомкнутых высоковольтных ключах блока 6.
Выход нагрузки 11 (нагрузочный резистор R22), являющийся первым выходом импульсного стабилизатора, предназначен для подключения к аноду разрядного промежутка КЛ, на катод которого подают постоянное высокое напряжение амплитудой минус 850 В с третьего внешнего источника питания Е3.
Первый конденсатор 3 (С13) через резистор R20 (первый резистивный делитель напряжения 8) осуществляет интегрирование импульсов с ШИМ-контроллера 1 и блока 6 высоковольтных ключей в постоянное выходное напряжение стабилизатора тока.
Первый резистивный делитель напряжения 8 может быть выполнен на резисторах R20, R21 и обеспечивает передачу амплитуды выходного напряжения на входы ШИМ-контроллера 1 для осуществления процесса стабилизации тока разряда КЛ.
Второй резистивный делитель напряжения 9 может быть выполнен на резисторах R1, R2 и предназначен для обеспечения обратной связи по напряжению.
Третий резистивный делитель напряжения 10 может быть выполнен на резисторах R3, R4 и предназначен для обеспечения обратной связи по току.
Индикатор 12 тока разряда может быть выполнен на транзисторе с открытым коллектором VT4, работающим в ключевом режиме, П-образных емкостных фильтрах на конденсаторах С11, С12 и резисторах R18, R19 и предназначен для формирования сигнала индикации тока IND.
Величина выходного напряжения источника питания E1 может изменяться в пределах от 10 до 35 В, источника питания Е2 - от 5 до 35 В, источника питания Е3 - от минус 800 до минус 900 В. Выбор источника питания зависит от требования к изделию применения.
Импульсный стабилизатор тока работает следующим образом.
Перед началом работы к импульсному стабилизатору тока подключают первый и второй внешние источники питания. Первый выход импульсного стабилизатора тока подключают к разрядному промежутку (аноду) КЛ.
Вначале для запуска работы кольцевого лазера на его катод подается напряжение накачки амплитудой ~ минус 850 В и несколько высоковольтных импульсов поджига амплитудой напряжения ~4 кВ и длительностью около одной секунды каждый. В результате поджига происходит ионизация газа между разрядными промежутками кольцевого лазера, и в его резонаторе начинает течь ток, величину которого необходимо стабилизировать для обеспечения точностных характеристик прибора.
Ток стабилизации течет через резисторы R20-R22 (первый резистивный делитель напряжения 8 и нагрузку 11), дроссель 7 и полевые транзисторы VT1-VT3 (блок 6 высоковольтных ключей). Стабилизация тока достигается за счет управления работой блока 6 высоковольтных ключей (транзисторов VT1-VT3 по цепям их затворов). Импульсная стабилизация тока разряда обеспечивается за счет обратных связей по току и напряжению, снимаемых с резистивных делителей R1-R4 (второй 9 и третий 10 резистивные делители напряжения).
Конденсатор 4 (С3) реализует плавный запуск ШИМ-контроллера 1 при подаче напряжения питания 15 В, а резистор 2 (R6) задает частоту генератора импульсов ~80 кГц.
Скважность ШИМ-сигнала определяется напряжением сигнала обратной связи, который поступает на инвертирующий вход (FB) усилителя ошибки микросхемы DA1. Внешняя цепь R5, C2 на входе внутреннего компаратора (СОМР) микросхемы DA1 компенсирует частотную характеристику преобразователя и устанавливает требуемый коэффициент усиления. Использование режима регулирования по току (вход CS в DA1) позволяет ШИМ-преобразователю быстрее корректировать изменение входного напряжения и получить более устойчивую работу стабилизатора тока.
Выходные транзисторы ШИМ-контроллера 1 управляют током первичной обмотки импульсного трансформатора 5 (Т1). Резистор R8 ограничивает величину импульсного тока выходного транзистора микросхемы DA1, а керамический конденсатор С6 предотвращает насыщение трансформатора Т1. С первой выходной обмотки трансформатора Т1 регулируется работа блока 6 высоковольтных ключей VT1-VT3, а со второй обмотки формируется сигнал индикаций тока разряда КЛ с помощью транзистора VT4. Резистивным делителем R12-R14, подключенным к цепям затворов транзисторов с шунтирующими конденсаторами С9, C10 и диодами VD3, VD4, задается напряжение сток-исток на каждом транзисторе.
Дроссель L1 изготовлен на ферритовом кольце и предназначен для поддержания тока в цепях при разомкнутых высоковольтных ключах. Конденсатор 3 (С13) через резистор R20 осуществляет интегрирование импульсов с ШИМ-контроллера 1 и блока 6 высоковольтных ключей в постоянное выходное напряжение преобразователя.